碳化硅瞄准新型电力电子产业

碳化硅技术有望为更智能的电源设计提供更高的效率、更小的外形尺寸、更低的成本和更低的冷却要求。

宽带隙 (WBG) 半导体技术在电力电子行业中的广泛采用持续增长。碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN) 半导体材料显示出卓越的性能，与传统硅技术相比，允许功率器件在高压下运行，尤其是在高温和开关频率下。电力电子系统的设计人员正在努力充分利用 GaN 和 SiC 器件。

碳化硅正被用于多种应用，尤其是电动汽车，以应对开发高效和大功率设备时面临的能源和成本挑战。硅已被用作大多数电子应用的关键半导体材料，但现在，与 SiC 相比，它被认为效率低下。

碳化硅由纯硅和碳组成，与硅相比具有三个主要优势：更高的临界雪崩击穿场、更高的热导率和更宽的带隙。碳化硅具有 3 电子伏特 (eV) 的宽带隙，可以承受比硅大 8 倍以上的电压梯度而不会发生雪崩击穿。更宽的带隙导致高温下的漏电流更低，从而导致良好的效率。较高的热导率对应于较高的电流密度。 

SiC 衬底的更高电场强度允许使用更薄的基础结构。与外延硅层相比，这可以实现十分之一的厚度。此外，SiC 的掺杂浓度比其硅对应物高 2 倍。因此，元件的表面电阻降低，传导损耗显着降低。

SiC 技术现在被广泛认为是硅的可靠替代品。许多功率模块和功率逆变器制造商已经为未来产品的路线图奠定了基础。这种 WBG 技术通过大幅降低特定负载下的开关和传导损耗，同时还提供改进的热管理，提供了前所未有的能源效率。

在电力电子系统中，热设计在确保高能量密度和缩小电路尺寸方面起着至关重要的作用。在这些应用中，碳化硅是一种理想的半导体材料，因为其热导率几乎是硅半导体的 3 倍。

碳化硅技术适用于电机、电力驱动和逆变器等更高功率的项目。电力驱动制造商正在开发新的驱动电路以满足转换器对更高开关频率的需求，并通过采用更复杂的拓扑来减少电磁干扰 (EMI)。

SiC 器件需要的外部组件更少，系统布局更可靠，制造商的成本更低。SiC 具有更高的效率、更小的外形尺寸和更轻的重量，可实现具有更低冷却要求的智能设计。

应用

最近，几家汽车制造商开发了新的推进概念，使他们能够将第一批混合动力和电动汽车推向市场。在这些车辆中，有新的组件和系统，例如为发动机提供动力的变频器（高达 300 kW）、3.6 W 至 22 kW 的车载电池充电器、3.6 kW 至 22 kW 的感应充电器（无线充电）、高达 5 kW 的 DC/DC 转换器，以及用于空调和动力转向等辅助负载的逆变器。

新型高压电池是采用混合动力和电动汽车的主要障碍之一。使用 SiC，汽车制造商可以缩小电池的尺寸，同时降低电动汽车的总成本。

此外，得益于 SiC 的热性能，制造商还可以降低冷却动力总成组件的成本。这对电动汽车的重量和成本具有积极影响。

车载充电器包含各种功率转换元件，例如二极管和 MOSFET。目标是通过使用小型无源元件使电力电子设备小型化，从而将它们全部集成在一起。如果可以在同一电路中以高开关频率控制所使用的半导体，则这是可能的。然而，硅的热特性限制了高开关频率解决方案。另一方面，碳化硅 MOSFET 为此类应用提供了理想的解决方案（图 1）。

图 1：3 kW EV 车载充电器（图片：GaN Systems Inc.）

长期可靠性已经是 SiC MOSFET 的标志。功率半导体制造商的下一步是开发多芯片功率模块或混合模块，将传统的硅晶体管和 SiC 二极管集成在同一物理设备上。通过提供高击穿电压，这些模块可以在更高的温度下运行。它们保证了高效运行和设备的进一步小型化。

以目前的市场价格，碳化硅 MOSFET 比硅 IGBT 提供系统级优势，我们预计碳化硅 MOSFET 的价格将继续下降，因为 150 毫米晶圆制造被广泛采用。一些制造商已经开始转向 200 毫米（8 英寸）晶圆。随着晶圆尺寸的增加，每个芯片的成本会降低，但良率也会下降。因此，必须不断改进流程（图 2）。

图 2：碳化硅产品的目标应用是提高效率、可靠性和热管理。（图片：Littelfuse Inc.）

最大的挑战是由于较高的制造工艺成本和缺乏批量生产而广泛采用 SiC 器件。SiC 器件的大规模生产带来了挑战，需要强大且经过深思熟虑的基础设施和制造工艺。这包括晶圆测试，这需要测试在更高电流和电压范围内工作的较小设备。

一旦这些挑战得到解决，OEM 设计人员将加大对 SiC 器件的采用，以利用该技术的电气特性，从而显着降低系统成本并提高整体效率。带有车载充电装置和电源逆变器的电动汽车是 SiC 半导体技术的主要候选者。

审核编辑 黄昊宇