【導(dǎo)讀】SiC 等寬禁帶 (WBG) 器件對于當今汽車和可再生能源等應(yīng)用至關(guān)重要。隨著我們的世界逐漸轉(zhuǎn)向使用可持續(xù)能源（主要是電力），能效比以往任何時候都更重要。提高開關(guān)模式能效的方法之一是降低銅損和開關(guān)損耗。然而，為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，直流母線電壓不斷上升，半導(dǎo)體技術(shù)必須發(fā)展以跟上步伐。這些技術(shù)對企業(yè)實現(xiàn)碳減排承諾至關(guān)重要。在本文中，安森美(onsemi)將探討下一代 SiC 器件如何演進以應(yīng)對最新應(yīng)用的挑戰(zhàn)，本文還將闡釋穩(wěn)健的端到端供應(yīng)鏈對于確保持續(xù)成功的重要性。
在眾多應(yīng)用領(lǐng)域，有諸多不同因素正在推動技術(shù)加速發(fā)展。以工業(yè)和汽車這兩個最重要的市場為例，主導(dǎo)的關(guān)鍵趨勢是提高能效、縮小外形和利用圖像傳感提升感知能力。
在工業(yè)領(lǐng)域，MOSFET 和功率模塊的進步正被用于優(yōu)化各種工業(yè)系統(tǒng)的能效和系統(tǒng)成本。有兩個領(lǐng)域特別受益，即電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施和替代/可再生能源應(yīng)用（如太陽能）。
成本和性能是許多工業(yè)應(yīng)用共同的主線。設(shè)計人員要解決的挑戰(zhàn)是，在不增加尺寸的情況下讓太陽能逆變器輸送更多電力，或者降低與儲能相關(guān)的散熱成本。降低充電成本是普及電動乘用車的重要途徑。然而，至關(guān)重要的是，要通過壁掛式直流充電樁或直流快速充電，實現(xiàn)更快的充電能力，而不需要額外的散熱。
在汽車領(lǐng)域，能效與車輛的行駛里程以及車載電子設(shè)備的尺寸、重量和成本密切相關(guān)。在電動汽車/混合動力汽車中，與部署 IGBT 功率模塊相比，部署 SiC 方案可帶來顯著的性能提升。同時，車用 CPU、LED 照明和車身電子設(shè)備也能從更好的電源管理中獲益。
主驅(qū)逆變器是一個關(guān)鍵點，它會影響車輛的整體能效，因而限定了行駛里程。根據(jù)行駛場景，輕型乘用車大部分時間是在輕載工況下行駛，因此相比 IGBT 方案，SiC 提高能效的優(yōu)勢顯而易見。此外，車載充電器 (OBC) 尺寸需要盡可能小。只有支持高開關(guān)頻率的寬禁帶器件才能實現(xiàn)更小的外形尺寸。節(jié)省的每一盎司能量都能增加車輛的總行駛里程，從而減輕里程焦慮。
SiC 技術(shù)用于當今應(yīng)用中的優(yōu)勢
汽車和工業(yè)應(yīng)用中的所有電源轉(zhuǎn)換都依賴基于半導(dǎo)體的開關(guān)器件和二極管去實現(xiàn)高能效和降低轉(zhuǎn)換損耗。因此，半導(dǎo)體行業(yè)一直在努力提高電源應(yīng)用中使用的硅基半導(dǎo)體器件的性能，特別是 IGBT、MOSFET 和二極管。加之電源轉(zhuǎn)換拓撲結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新，可實現(xiàn)前所未有的性能。
圖 1：多種應(yīng)用需要充分利用SiC 技術(shù)的優(yōu)勢
無論是用于汽車主驅(qū)、太陽能逆變器抑或電動汽車充電器，基于 SiC 的 MOSFET 和二極管產(chǎn)品都能提供比現(xiàn)有硅基 IGBT 和整流器更好的性能和更低的系統(tǒng)級成本。SiC 的寬帶隙特性支持比硅更高的臨界場，因此可實現(xiàn)更高的阻斷電壓能力，例如 1700 V 和 2000 V。而且，SiC 的電子遷移率和飽和速度本質(zhì)上就高于 Si 器件，因此能夠在顯著更高的頻率和結(jié)溫下工作，這兩點都是非常有優(yōu)勢的。此外，基于 SiC 的器件開關(guān)損耗相對更低，頻率更高，，這有助于減小相關(guān)無源元件（包括磁性元件和電容）的尺寸、重量和成本。
圖 2：SiC 等寬禁帶材料給電源系統(tǒng)帶來多方面好處
由于導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗顯著降低，基于 SiC 的電源方案產(chǎn)生的熱量更少。另外，SiC 器件能夠在高達 175°C 的結(jié)溫 (Tj) 下工作，這意味著對風(fēng)扇和散熱器等散熱措施的需求顯著減少，系統(tǒng)尺寸、重量和成本得以節(jié)省，并且即使在具有挑戰(zhàn)性、空間受限的應(yīng)用中也能確保更高的可靠性。
對更高電壓器件的需求
SiC 的寬帶隙特性支持比硅更高的臨界場，因此可實現(xiàn)更高的阻斷電壓能力，例如 1700 V 和 2000 V。對于給定的功率，提高電壓會降低總電流需求，從而降低總銅損。在太陽能光伏 (PV) 系統(tǒng)等可再生能源應(yīng)用中，來自 PV 板的直流母線電壓已從 600 V 提高到 1500 V 以提升能效。類似地，輕型乘用車正從 400 V 母線過渡到 800 V 母線（某些情況下為 1000 V 母線），以提高能效并縮短充電時間。過去，對于 400 V 母線電壓，所用器件的額定電壓為 750 V，但現(xiàn)在需要更高的額定電壓，例如 1200 V，甚至 1700 V，以確保器件在這些應(yīng)用中可靠地工作。
最新技術(shù)
為了滿足更高擊穿電壓的需求，安森美開發(fā)了一系列 1700 V M1 平面 EliteSiC MOSFET 器件，針對快速開關(guān)應(yīng)用進行了優(yōu)化。NTH4L028N170M1 是這首批器件中的一款，其 VDSS 為 1700 V，并且具有更高的 VGS 為-15/+25 V 。該器件的 RDS(ON) 典型值超低僅 28 mW。
新型 1700 V MOSFET 可以在高達 175°C 的結(jié)溫 (Tj) 下工作，相關(guān)的散熱器尺寸可以大幅減小，甚至完全無需散熱器。NTH4L028N170M1 的第四個引腳上有一個開爾文源極連接（TO-247-4L 封裝），這可以降低導(dǎo)通功耗和柵極噪聲。還有一種 D2PAK–7L 配置，它能進一步減小 NTBG028N170M1 等器件中的封裝寄生效應(yīng)。
圖 3：安森美的新型 1700 V EliteSiC MOSFET
安森美即將推出采用 TO-247-3L 和 D2PAK-7L 封裝的 1700 V 1000 mW SiC MOSFET，適用于電動汽車充電和可再生能源應(yīng)用中的高可靠性輔助電源單元。
除 MOSFET 之外，安森美還開發(fā)了一系列 1700 V SiC 肖特基二極管。具有該額定值的 D1 系列器件可在二極管的 反向峰值電壓(VRRM) 和反向重復(fù)峰值電壓之間提供更大的電壓裕量。特別是，新器件即使在高溫下也能提供更低的 正向峰值電壓(VFM)、最大正向電壓和出色的反向漏電流，使設(shè)計人員能夠?qū)崿F(xiàn)在高溫高壓下穩(wěn)定運行的設(shè)計。
圖 4：安森美的新型 1700 V 肖特基二極管
新器件（NDSH25170A 和 NDSH10170A）可以 TO-247-2L 封裝和裸片兩種形式供貨，還有一種無封裝的 100 A 版本。
供應(yīng)鏈考量
在某些行業(yè)，供應(yīng)鏈受到組件供應(yīng)的牽制，因此在選擇新器件和技術(shù)時，考慮供應(yīng)能力非常重要。為了確保對客戶的供應(yīng)穩(wěn)妥可靠以支持快速增長，安森美最近收購了GT Advanced Technologies (GTAT)。此舉不僅鞏固了供應(yīng)鏈，還能使安森美利用 GTAT 的技術(shù)經(jīng)驗。
目前，安森美是為數(shù)不多的具有端到端SiC供貨能力的大規(guī)模供應(yīng)商，包括批量SiC晶錠生長、襯底、外延、器件制造、出色的集成模塊和分立封裝方案。
為支持未來幾年SiC的預(yù)期增長，安森美計劃在2023年前將襯底產(chǎn)能增加5倍，并大力投資將器件及模塊產(chǎn)能增加一倍，隨后，到2024年，產(chǎn)能將再次翻倍，并有能力在未來再次將產(chǎn)能翻倍。
總結(jié)
借助 SiC 的性能，設(shè)計人員將能滿足當今具挑戰(zhàn)的應(yīng)用需求，包括汽車、可再生能源和工業(yè)應(yīng)用的需求，尤其是功率密度和散熱方面。
SiC 技術(shù)在逐漸成熟，關(guān)鍵應(yīng)用領(lǐng)域在不斷發(fā)展和進步，因此 SiC 也必須同步發(fā)展以滿足日益增長的需求。例如，對更高擊穿電壓的需求，安森美推出了新的 1700 V SiC MOSFET 和二極管滿足了這一需求。此外，安森美目前正在開發(fā) 2000 V SiC MOSFET 技術(shù)，以支持太陽能、固態(tài)變壓器和電子斷路器等新興應(yīng)用。
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