碳化硅技术的挑战与应用

碳化硅（SiC）是一种由硅和碳组成的半导体材料，用于制造电动汽车（EV）、电源、电机控制电路和逆变器等高压应用的功率器件。与IGBT和MOSFET等传统的硅基功率器件相比，SiC具有多项优势，这些器件凭借其成本效益和制造工艺的简单性而长期主导市场。

在电力电子应用中，固态器件需要能够在高开关频率下工作，同时提供低导通电阻、低开关损耗和出色的热管理。在电子领域，设计人员面临着几个严峻的挑战，目的是最大限度地提高效率、减小尺寸、提高设备的可靠性和耐用性以及降低成本。与传统的硅基技术相比，使用宽带隙（WBG）材料（如SiC）可实现更高的开关速度和更高的击穿电压，从而实现更小、更快、更可靠、更高效的功率器件。在图1中，比较了硅和SiC的一些主要电气特性。

在制造工艺方面，迄今为止最困难的挑战之一是从100毫米（4英寸）晶圆过渡到150毫米（6英寸）晶圆。虽然晶圆尺寸的增加提供了大幅降低组件单位成本的优势，但另一方面，它在消除缺陷和提高交付半导体的可靠性方面提出了苛刻的挑战。

市场带来的挑战主要涉及对电源解决方案的需求，以满足对汽车电气化和电池充电系统日益增长的需求。汽车行业无疑是碳化硅生产商主要精力集中的行业之一。制造下一代电动汽车将需要一种满足高效率和可靠性、消除缺陷和降低成本的严格要求的技术。

制造挑战

尽管SiC的特性早已为人所知，但第一批SiC功率器件的生产相对较新，从2000年代初开始部署100毫米晶圆。几年前，大多数制造商完成了向150毫米晶圆的过渡，而200毫米（8英寸）晶圆的大规模生产将在未来几年内投入运营。

碳化硅晶圆从4英寸到6英寸的过渡并非没有问题，这与难以保持相同的质量和相同的产量有关。碳化硅生产的主要挑战涉及材料的特性。由于其硬度（几乎像金刚石一样），SiC需要更高的温度、更多的能量以及更多的晶体生长和加工时间。此外，使用最广泛的晶体结构（4H-SiC）具有高透明度和高折射率的特点，因此很难检查材料是否存在可能影响外延生长或最终组件良率的表面缺陷。

碳化硅衬底制造过程中可能出现的主要缺陷是晶体堆叠故障、微管、凹坑、划痕、污渍和表面颗粒。这些因素可能会对SiC器件的性能产生不利影响，在150毫米晶圆上比在100毫米晶圆上更频繁地检测到这些因素。由于碳化硅是世界上第三硬的复合材料，而且非常脆弱，因此其生产带来了与周期时间、成本和切割性能相关的复杂挑战。

可以肯定的是，即使改用200毫米晶圆也会带来重大问题。事实上，面对不可避免的更高密度的缺陷，有必要保证基板的相同质量。

电动汽车中的碳化硅

碳化硅器件的主要应用之一是汽车，特别是电动汽车和插电式混合动力电动汽车（PHEV）的生产。下一代电动汽车需要能够提高车辆效率（从而增加续航里程）和电池充电速度的功率器件。

碳化硅逆变器被证明是满足这些要求的关键解决方案。除了将输入直流电转换为交流电外，逆变器还根据驱动需要控制提供给电机的功率水平。随着汽车电动客车从400 V逐步过渡到800 V，逆变器的作用变得更加重要。传统逆变器在将能量从电池传输到电机方面提供的效率约为97%至98%，而基于SiC的逆变器可以达到高达99%的效率。需要强调的是，效率提高到小数点后一位或两位，会给整辆车带来非常显著的优势。硅基IGBT和SiC基MOSFET的导通开关损耗比较如图2所示，与硅相比，SiC可以降低76%的损耗。

碳化硅逆变器是这些类型应用的理想选择，因为它们可以承受高电压和高温，并允许减小所有其他组件的尺寸。通过使用电压为800 V的电池，可以减少所需的电流，并使用更小的电缆，从而降低成本和车辆重量，并简化电气系统的组装阶段。总的来说，这提高了EV或PHEV的续航里程和效率。通过使用基于SiC的大功率DC/DC转换器，通过使用800V电池，可以大幅缩短充电时间（与400V电池所需的时间相比，最多可缩短五分之一）。它们的高效率使得在充电过程中最大限度地转移到电池的能量成为可能，功率损耗可以忽略不计。

5G技术

碳化硅允许功率器件在更高的温度、电压和开关频率下工作，使电力电子模块比使用传统半导体（如硅）制成的模块更强大、更节能。碳化硅的主要优点可归纳如下：

更高的开关频率

更高的工作温度

效率更高

更低的开关损耗

高功率密度

减小尺寸和重量

更好的热管理

碳化硅的作用领域注定会扩大，包括所有需要比基于硅技术的传统器件更高效率或更高功率密度的关键应用。尽管这两种技术之间存在成本差异，但在电信行业等多种电源应用中使用SiC有助于降低系统的总体成本。例如，这是由于取消了散热器和冷却系统，或者由于无源器件的尺寸和成本的减小。

SiC最具挑战性的应用当然是5G移动技术，其速度比之前的20G LTE技术高出4×。为了更快地运行，我们需要能够处理更高功率密度、具有更好热效率（避免危险的硬件系统过热）并针对实现高效率进行优化的设备。这些雄心勃勃的性能目标与SiC器件（如功率MOSFET和肖特基二极管）的优势完美匹配，这些器件能够在几百伏的电压和高于硅所能承受的温度下工作。

对能源的需求不断增长，可再生能源的使用日益广泛，使微电网在减少温室气体排放和减少化石燃料能源方面发挥了根本性作用。然而，硅基固态逆变器和开关体积庞大且效率低下，无法用于微电网系统。由于具有更高的击穿电压和开关频率，SiC等WBG半导体正在成为构建高效可靠微电网的基本组件。

由于从非线性负载中汲取非正弦电流，连接到网络的大量电子设备在能量分配系统中产生了大量的谐波。消除能量分配系统中谐波失真的传统技术之一是使用适当的有源或无源滤波器。基于SiC的功率器件能够在特别高的开关电压和频率下工作，可以将谐波补偿功能直接集成到转换器中，无需专用滤波器，从而减小了设计的尺寸、复杂性和成本。

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审核编辑：汤梓红