保障下一代碳化硅(SiC)器件的供需平衡

在工業(yè)、汽車和可再生能源應(yīng)用中，基于寬禁帶 (WBG) 技術(shù)的組件，比如 SiC，對(duì)提高能效至關(guān)重要。在本文中，安森美 (onsemi) 思考下一代 SiC 器件將如何發(fā)展，從而實(shí)現(xiàn)更高的能效和更小的尺寸，并討論對(duì)于轉(zhuǎn)用 SiC 技術(shù)的公司而言，建立穩(wěn)健的供應(yīng)鏈為何至關(guān)重要。

在廣泛的工業(yè)系統(tǒng)（如電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施）和可再生能源系統(tǒng)（如太陽(yáng)能光伏 (PV)）應(yīng)用中，MOSFET 技術(shù)、分立式封裝和功率模塊的進(jìn)步有助于提高能效并降低成本。然而，平衡成本和性能對(duì)于設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)是一項(xiàng)持續(xù)的挑戰(zhàn)，必須在不增加太陽(yáng)能逆變器的尺寸或散熱成本的情況下，實(shí)現(xiàn)更高的功率。實(shí)現(xiàn)這一平衡非常有必要，因?yàn)榻档统潆姵杀緦⑹翘岣唠妱?dòng)汽車普及率的關(guān)鍵推動(dòng)因素。

汽車的能效與車載電子器件的尺寸、重量和成本息息相關(guān)，這些都會(huì)影響車輛的行駛里程。在電動(dòng)/混動(dòng)汽車中使用 SiC 取代 IGBT 功率模塊可顯著改進(jìn)性能，尤其是在主驅(qū)逆變器中，因?yàn)檫@有助于顯著提高車輛的整體能效。輕型乘用車主要在低負(fù)載條件下工作，在低負(fù)載下，SiC 的能效優(yōu)勢(shì)比 IGBT 更加明顯。車載充電器 (OBC) 的尺寸和重量也會(huì)影響車輛行駛里程。因此，OBC 必須設(shè)計(jì)得盡可能小，而 WBG 器件具有較高的開關(guān)頻率，在這方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

SiC技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

為了最大限度減少電源轉(zhuǎn)換損耗，需要使用具有出色品質(zhì)因數(shù)的半導(dǎo)體功率開關(guān)。電源應(yīng)用中使用的硅基半導(dǎo)體器件（IGBT、MOSFET 和二極管）的性能改進(jìn)，加上電源轉(zhuǎn)換拓?fù)浞矫娴膭?chuàng)新，使能效大幅提升。然而，由于硅基半導(dǎo)體器件已接近其理論極限，在新應(yīng)用中它們正逐漸被 SiC 和氮化鎵 (GaN) 等寬禁帶 (WBG) 半導(dǎo)體取代。

圖1 多種應(yīng)用可從SiC器件的特性中受益

對(duì)更高性能、更大功率密度和更優(yōu)性能的需求不斷挑戰(zhàn)著 SiC 的極限。得益于寬禁帶特性，SiC 能夠承受比硅更高的電壓（1700V 至 2000V）。同時(shí)，SiC 本身還具有更高的電子遷移率和飽和速度。因此，它能夠在明顯更高的頻率和結(jié)溫下工作，對(duì)電源應(yīng)用而言非常理想。此外，SiC 器件的開關(guān)損耗相對(duì)更低，這有助于降低無(wú)源組件的尺寸、重量和成本。

圖2 SiC為電源系統(tǒng)帶來(lái)諸多優(yōu)勢(shì)

SiC 器件的導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗更低，因此降低了對(duì)散熱的要求。再加上它能夠在高達(dá) 175°C 的結(jié)溫 (Tj) 下工作，因而對(duì)風(fēng)扇和散熱片等散熱措施的需求減少。系統(tǒng)尺寸、重量和成本也得以減小，并且在空間受限的應(yīng)用中也能保障更高的可靠性。

需要更高電壓

通過(guò)增加電壓以減少電流，可減少在所需功率下的損耗。因此，在過(guò)去幾年里，來(lái)自 PV 板的直流母線電壓已從 600 V 提高到 1500 V。同樣地，輕型乘用車中的 400 V 直流母線可提升到 800 V 母線（有時(shí)可提高到 1000 V）。過(guò)去，對(duì)于 400 V 母線電壓，所用器件的額定電壓為 750 V?，F(xiàn)在，需要具有更高額定電壓（1200 V 至 1700 V）的器件，以確保這些應(yīng)用能夠安全、可靠地工作。

SiC的最新進(jìn)展

為了滿足對(duì)具有更高擊穿電壓的器件的需求，安森美開發(fā)了 1700V M1 平面 EliteSiC MOSFET 系列產(chǎn)品，針對(duì)快速開關(guān)應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。NTH4L028N170M1 是該系列首批器件中的一款，其 VDSS 為 1700 V，具有更高的 VGS，為 -15/+25 V，并且其 RDS(ON) 典型值僅 28 mW。

這些 1700 V MOSFET 可在高達(dá) 175°C 的結(jié)溫 (Tj) 下工作，因而能夠與更小的散熱片結(jié)合使用，或者有時(shí)甚至不需要使用散熱片。此外，NTH4L028N170M1 的第四個(gè)引腳上有一個(gè)開爾文源極連接（TO-247-4L 封裝），用于降低導(dǎo)通功耗和柵極噪聲。這些開關(guān)還提供 D2PAK–7L 封裝，具有更低的封裝寄生效應(yīng)。

圖3 安森美的新型1700V EliteSiC MOSFET

采用 TO-247-3L 和 D2PAK-7L 封裝的 1700 V 1000 mWSiC MOSFET 也已投產(chǎn)，適用于電動(dòng)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。

安森美開發(fā)了 D1 系列 1700 V SiC 肖特基二極管。1700 V 的額定電壓可在 VRRM 和反向重復(fù)峰值電壓之間為器件提供更大的電壓裕量。該系列器件具有更低的 VFM（最大正向電壓）和出色的反向漏電流，有助于實(shí)現(xiàn)在高溫高壓下穩(wěn)定運(yùn)行的設(shè)計(jì)。

圖4 安森美的新型1700V肖特基二極管

NDSH25170A和NDSH10170A器件以TO-247-2封裝和裸片兩種形式供貨，還提供 100A 版本（無(wú)封裝）。

供應(yīng)鏈考量

由于可用組件短缺，一些電子行業(yè)領(lǐng)域的生產(chǎn)已受到影響。因此，在選擇新技術(shù)產(chǎn)品的供應(yīng)商時(shí)，務(wù)必考慮供應(yīng)商按時(shí)履行訂單的能力。為保障向客戶的產(chǎn)品供應(yīng)，安森美最近收購(gòu)了 GT Advanced Technology (GTAT)，以利用 GTAT 在物流方面的專長(zhǎng)和經(jīng)驗(yàn)。安森美是目前為數(shù)不多具有端到端能力的大型 SiC 供應(yīng)商，包括晶錠批量生長(zhǎng)、襯底制備、外延、器件制造、集成模塊和分立式封裝解決方案。為了滿足 SiC 應(yīng)用的預(yù)期增長(zhǎng)需求，安森美計(jì)劃在 2024 年之前將襯底業(yè)務(wù)的產(chǎn)能提高數(shù)倍，并擴(kuò)大公司的器件和模塊產(chǎn)能，在未來(lái)實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步擴(kuò)張。

總結(jié)

在不斷發(fā)展的汽車、可再生能源和工業(yè)應(yīng)用中，工程師將能夠借助 SiC 器件的特性，解決功率密度和散熱方面的諸多挑戰(zhàn)。憑借 1700V 系列 SiC MOSFET 和二極管，安森美滿足了市場(chǎng)對(duì)具有更高擊穿電壓的器件的需求。此外，安森美還為新興的太陽(yáng)能、固態(tài)變壓器和固態(tài)斷路器應(yīng)用開發(fā)了 2000V SiC MOSFET 技術(shù)。