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文章來源：電子技術(shù)設(shè)計(jì)
作者：廖均
電力電子朝向碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)等寬能隙(WBG)材料發(fā)展，雖然硅仍然占據(jù)市場(chǎng)主流，但SiC與GaN器件很快就會(huì)催生新一代更高效的技術(shù)解決方案。
據(jù)總部位于法國的市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)Yole Développement估計(jì)，到2025年SiC器件市場(chǎng)營(yíng)收將占據(jù)整體電力電子市場(chǎng)的10%以上，GaN器件的營(yíng)收比例會(huì)超過2%。
SiC組件的知名供貨商包括意法半導(dǎo)體(ST)、Cree/Wolfspeed、羅姆、英飛凌、安森美半導(dǎo)體(On Semiconductor)以及三菱(Mitsubishi Electric)。
Cree推出了首款商用900V SiC功率MOSFET以及Wolfspeed 650V碳化硅MOSFET產(chǎn)品組合；Microchip和ROHM均已發(fā)布SiC MOSFET和二極管；英飛凌在推出了8款650V CoolSiC MOSFET器件......由此看出各大廠商在SiC材料方面均有所布局并有著自己的發(fā)展策略。
碳化硅較硅有何性能優(yōu)勢(shì)？
硅早已是大多數(shù)電子應(yīng)用中的關(guān)鍵半導(dǎo)體材料，但與SiC相比，則顯得效率低下。SiC現(xiàn)在已開始被多種應(yīng)用采納，特別是電動(dòng)汽車，以應(yīng)對(duì)開發(fā)高效率和高功率器件所面臨的能源和成本挑戰(zhàn)。
SiC由純硅和碳組成，與硅相比具有三大優(yōu)勢(shì)：更高的臨界雪崩擊穿場(chǎng)強(qiáng)、更大的導(dǎo)熱系數(shù)和更寬的禁帶。
SiC具有3電子伏特(eV)的寬禁帶，可以承受比硅大8倍的電壓梯度而不會(huì)發(fā)生雪崩擊穿。禁帶越寬，在高溫下的漏電流就越小，效率也越高。而導(dǎo)熱系數(shù)越大，電流密度就越高。
圖1：碳化硅相較于硅的性能優(yōu)勢(shì)
SiC襯底具有更高的電場(chǎng)強(qiáng)度，因而可以使用更薄的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，其厚度可能僅為硅外延層的十分之一。此外，SiC的摻雜濃度比硅高2倍，因此器件的表面電阻降低了，傳導(dǎo)損耗也顯著減少。
SiC現(xiàn)已公認(rèn)為是一種能夠可靠替代硅的技術(shù)。許多電源模塊和電源逆變器制造商已在其未來產(chǎn)品路線圖中規(guī)劃使用SiC技術(shù)。
這種寬禁帶技術(shù)大幅降低了特定負(fù)載下的開關(guān)損耗和傳導(dǎo)損耗，改善了散熱管理，提供了前所未有的能效。在功率電子系統(tǒng)中，散熱設(shè)計(jì)至關(guān)重要，它能確保高能量密度，同時(shí)縮小電路尺寸。在這些應(yīng)用中，SiC因其3倍于硅半導(dǎo)體的導(dǎo)熱系數(shù)而成為理想的半導(dǎo)體材料。
SiC技術(shù)適用于功率較高的項(xiàng)目，例如電動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)器和逆變器。電驅(qū)動(dòng)器制造商正在開發(fā)新的驅(qū)動(dòng)電路，以滿足轉(zhuǎn)換器對(duì)更高開關(guān)頻率的需求，并采用更復(fù)雜巧妙的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來減小電磁干擾(EMI)。
SiC器件所需的外部元器件更少，系統(tǒng)布局更可靠，制造成本也更低。由于效率更高、外形尺寸更小以及重量更輕，智能設(shè)計(jì)的冷卻要求也相應(yīng)降低。
碳化硅的應(yīng)用
電動(dòng)汽車/混動(dòng)汽車
幾家汽車制造商運(yùn)用全新的動(dòng)力概念，在市場(chǎng)上率先推出了混動(dòng)和電動(dòng)汽車。這些車輛包含新的器件和系統(tǒng)，例如為發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力的變頻器（最高達(dá)300kW）、3.6W至22kW車載電池充電器、3.6kW至22kW感應(yīng)充電器（無線充電）、高達(dá)5kW的DC/DC轉(zhuǎn)換器，以及用于空調(diào)和動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等輔助負(fù)荷的逆變器。
新型高壓電池是混動(dòng)和電動(dòng)汽車發(fā)展的主要障礙之一。利用SiC，汽車制造商可以縮小電池尺寸，同時(shí)降低電動(dòng)汽車的總成本。
此外，由于SiC具有良好的散熱性能，因此制造商還可以降低冷卻動(dòng)力總成器件的成本。這有助于減小電動(dòng)汽車的重量并降低成本。
電動(dòng)汽車/混動(dòng)汽車也是安森美半導(dǎo)體的SiC戰(zhàn)略重點(diǎn)市場(chǎng)之一。在近日舉辦的“安森美半導(dǎo)體碳化硅策略及方案”在線媒體交流會(huì)上，該公司電源方案部產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理王利民介紹說，
電動(dòng)汽車是碳化硅的主要驅(qū)動(dòng)力之一，將占整個(gè)碳化硅市場(chǎng)容量約60%。碳化硅器件應(yīng)用于主驅(qū)、OBC和DC-DC，可大幅度提高效率，因此能給電動(dòng)汽車增加續(xù)航能力。基于這些優(yōu)點(diǎn)，目前幾乎所有做主驅(qū)逆變器的廠家都以研究碳化硅做主驅(qū)為方向。
圖2：電動(dòng)汽車是碳化硅的主要驅(qū)動(dòng)力之一
車載充電器包含各種功率轉(zhuǎn)換器件，例如二極管和MOSFET。其目標(biāo)是通過使用小尺寸無源元件，使功率電子電路體積變小，從而將它們?nèi)考稍谝黄稹?/p>
如果所用的半導(dǎo)體器件能夠用高開關(guān)頻率在相同的電路中進(jìn)行控制，就可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)。但是，由于硅的散熱性能不夠好，高開關(guān)頻率解決方案并不適用。SiC MOSFET為此類應(yīng)用提供了理想的解決方案。
目前絕大部分OBC和DC-DC廠家是使用碳化硅器件作為高效、高壓和高頻率的功率器件。
王利民舉例說，
美國加利福尼亞州已簽署行政命令，到2030年實(shí)現(xiàn)500萬輛電動(dòng)車上路的目標(biāo)；
歐洲也有電動(dòng)汽車全部替換燃油車的時(shí)間表；
而在中國各大一線城市，電動(dòng)汽車可以零費(fèi)用上牌。
這一系列政策都推動(dòng)了電動(dòng)汽車的大幅增長(zhǎng)，電動(dòng)汽車對(duì)于高壓、高頻率和高效率器件的需求也推動(dòng)了碳化硅市場(chǎng)的大幅增長(zhǎng)。
5G電源和開關(guān)電源
5G電源和開關(guān)電源（SMPS）領(lǐng)域是安森美半導(dǎo)體的第二個(gè)碳化硅戰(zhàn)略市場(chǎng)。
傳統(tǒng)的開關(guān)電源領(lǐng)域是Boost及高壓電源，對(duì)功率密度一直都有很高的要求，從最早通信電源的金標(biāo)、銀標(biāo)，到現(xiàn)在的5G通信電源和云數(shù)據(jù)中心電源，這些都對(duì)高能效有很高的要求。
“碳化硅器件沒有反向恢復(fù)，使得電源能效非常高，可達(dá)到98%。電源和5G電源是碳化硅器件最傳統(tǒng)、也是目前相對(duì)較大的一個(gè)市場(chǎng)。”王利民說。
圖3：碳化硅可用于5G電源和開關(guān)電源中
電動(dòng)汽車充電樁
電動(dòng)汽車充電樁也是我們碳化硅戰(zhàn)略市場(chǎng)之一。充電樁實(shí)現(xiàn)的方案有很多種，現(xiàn)在消費(fèi)者最感興趣的就是直流快充。
直流快充的充電樁需要非常大的充電功率以及非常高的充電效率，這些都需要通過高電壓來實(shí)現(xiàn)。
在電動(dòng)汽車充電樁的應(yīng)用里，碳化硅無論是在Boost，還是輸出的二極管，目前有很多使用主開關(guān)的碳化硅MOSFET電動(dòng)汽車充電樁方案，其應(yīng)用前景非常廣闊。
圖4：電動(dòng)汽車充電樁也是碳化硅的一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域
太陽能逆變器
在太陽能逆變器領(lǐng)域，碳化硅二極管的使用量也非常巨大。太陽能逆變器的安裝量每年持續(xù)增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)未來10~15年會(huì)有15%的能源（目前是1%）來自太陽能。太陽能是免費(fèi)的，且取之不盡用之不竭。國內(nèi)已出臺(tái)相關(guān)政策，個(gè)人可以把太陽能電力賣給國家電網(wǎng)。
“碳化硅半導(dǎo)體可應(yīng)用于太陽能逆變器的Boost。隨著太陽能逆變器成本的優(yōu)化，不少廠家會(huì)使用碳化硅的MOSFET作為主逆變的器件，用來替換原來的三電平（逆變器）控制復(fù)雜電路。”王利民說，“在政策驅(qū)動(dòng)方面，歐盟有20-20-20目標(biāo)，即到2020年，能效提高20%，二氧化碳排放量降低20%，可再生能源達(dá)到20%。NEA也設(shè)定了清潔能源目標(biāo)，到2030年要滿足中國20%的能源需求。”
圖5：碳化硅在太陽能逆變器中的應(yīng)用
結(jié)語
長(zhǎng)期可靠性已成為SiC MOSFET的標(biāo)志。功率半導(dǎo)體制造商接下來的任務(wù)是開發(fā)多芯片功率模塊或混合模塊，將傳統(tǒng)的硅晶體管和SiC二極管集成在同一物理器件上。由于具有較高的擊穿電壓，這些模塊可以在更高的溫度下工作。它們還能提供高效率，同時(shí)進(jìn)一步縮小設(shè)備尺寸。
從目前的市場(chǎng)價(jià)格來看，SiC MOSFET相較于硅IGBT具有系統(tǒng)級(jí)優(yōu)勢(shì)，而且，隨著150 毫米晶圓制造被廣泛采用，預(yù)計(jì)SiC MOSFET的價(jià)格還將繼續(xù)下降。
一些制造商已經(jīng)開始生產(chǎn)200毫米（8英寸）晶圓。隨著晶圓尺寸的增加，每個(gè)裸片的成本將會(huì)降低，但良率也可能降低。因此，制造商必須不斷改進(jìn)工藝。
然而，由于SiC器件的制造工藝成本較高，并且缺乏量產(chǎn)，因而很難被廣泛使用。SiC器件的批量生產(chǎn)需要精心設(shè)計(jì)的穩(wěn)健架構(gòu)和制造工藝，例如在晶圓測(cè)試中，要求被測(cè)試的器件尺寸更小并且工作在較高的電流和電壓范圍內(nèi)。
一旦解決了這些難題，OEM設(shè)計(jì)師將會(huì)采用更多的SiC器件，充分利用其良好的電氣特性，大幅降低系統(tǒng)成本并提高整體效率。
