用于电动汽车电力电子的碳化硅器件！

随着对电动汽车（EV）需求的持续增长，制造商正在比较两种半导体技术，即碳化硅和硅，用于电力电子应用。碳化硅（SiC）具有耐高温、低功耗、刚性，并支持EV电力电子设备所需的更小、更薄的设计。SiC当前应用的示例包括车载DC/DC转换器、非车载直流快速充电器、车载电池充电器、电动汽车动力总成和LED汽车照明。

随着电池和电机制造商达到现有技术的物理极限，需要开发更高效的传动系统，SiC技术也可能推动未来的电动汽车创新。在接受半导体工程采访时，Cree CTO John Palmour将碳化硅与硅进行了比较，这是电动汽车行业，尤其是工程师可以欣赏的。“你可以用碳化硅制造出你真正想要的硅器件，但由于硅的物理特性，在那个电压范围内并不实用。”

带隙的重要性！

碳化硅在电动汽车应用和其他电力电子中的有用性很大程度上是其宽带隙的函数，该宽带隙以电子伏特（EV）为单位测量，描述了将电子从材料的价带激发到导带所需的能量。硅（Si）是一种半导体，长期以来一直是集成电路（IC）和光伏器件所用晶片的首选材料，其带隙为1.12eV。砷化镓（GaAs）是一种用于太阳能电池的半导体，其带隙为1.42eV。相比之下，碳化硅的带隙明显更宽，为3.26eV。

由于这种更宽的带隙，碳化硅更适合于更高功率的应用以及与之相关的更高温度。带隙与击穿电压有关，击穿电压是绝缘体的一部分导电的点。硅的击穿电压约为600V，但基于SiC的器件可以承受高达10倍的电压。由于带隙随着温度的升高而收缩，较宽的带隙材料也能承受更高的温度。碳化硅的刚性还提供了一种不会因热而膨胀或收缩的稳定结构。

更宽的碳化硅带隙还支持更快、更高效的开关和更小、更薄的器件。因为碳化硅的电压差或电势差不需要跨越太多的材料，所以SiC器件的厚度可以小于Si器件厚度的十分之一。这些更快、更薄的解决方案具有更小的阻力，因此热量损失更少，效率更高。此外，碳化硅的更高导热率允许更有效地传输热量，并可以减少或消除对散热器的需求。

用于电动汽车电力电子的碳化硅器件：优势与挑战

据IEEE Spectrum报道，Cree估计，去年全球碳化硅器件市场首次突破1亿美元。如今，该公司的SiC解决方案正在为日益增长的电动汽车市场中的各种高压、高温组件提供支持。由于电动汽车的不同系统由不同的电压供电，一些硅器件还需要将正确的电压转换并分配给车窗升降、照明、推进和HVAC。与Si器件相比，SiC技术以更高的速度、可靠性和效率支持这些功能。

碳化硅优越的开关速度也支持更快充电器的发展。非车载充电器将输入的交流电转换为直流电，用于电池存储。车载电池充电器将电池的直流电转换为主驱动电机的交流电。碳化硅比硅执行这些功能更快，热量和能量损失更少。此外，碳化硅组件的尺寸可以是硅器件的一半（或更小）。随着SiC制造商继续减少材料中的缺陷，SiC器件的价格预计将下降——这是未来电动汽车应用的优势。

碳化硅的电动汽车前景光明，但对电动汽车的需求增加可能导致部件缺陷，除非制造商安装适当的检测设备。这在研发（R&D）过程中尤为重要，在研发过程中，工艺工具的验证不力会显著降低产量。MTI Instruments的Proforma 300iSA系统可进行大规模晶片检查，并提高SiC材料的产量。在体积上发现缺陷可能很困难，但MTI基于电容的技术比共焦系统提供了重要的优势。

基于电容的技术与共聚焦系统

例如，高分辨率共焦干涉仪的成本明显高于电容计。激光干涉仪还提供相对读数，要求操作员在使用前将仪器校准到已知厚度。相比之下，基于电容的技术提供了绝对测量。此外，如果激光干涉仪失去了对晶片表面的跟踪，那么测量结果就不准确。使用共焦系统，测量透明或半透明半导体晶片也更具挑战性。

基于电容的系统也提供了其他优点。随着时间的推移，共焦系统中的激光传感器有随着温度、热加热和其他因素而漂移的趋势。相比之下，电容电路往往更稳定，并将低漂移与高精度相结合。基于电容的技术，如MTI的形式技术，也可以扩展整个半导体供应链的质量控制应用。销售SiC晶圆的供应商可以在发货前进行高分辨率测量，然后在收到SiC晶片后进行测量。

审核编辑：汤梓红