【導讀】在相當長的一段時間內，矽一直是世界各地電力電子轉換器所用器件的首選半導體材料，但 1891 年碳化矽 (SiC) 的出現帶來了一種替代材料，它能減輕對矽的依賴。SiC 是寬禁帶 (WBG) 半導體：將電子激發到導帶所需的能量更高，並且這種寬禁帶具備優於標準矽基器件的多種優勢。

youyuloudianliugengxiaoqiedaixigengda，qijiankeyizaigengkuandewendufanweineigongzuo
，erbuhuifashengguzhanghuojiangdixiaolv。tahaijuyouhuaxueduoxing
，suoyouzhexieyoudianjinyibugonggule SiC 在電力電子領域的重要性，並促成了它的快速普及。SiC 功率器件目前已廣泛用於眾多應用，例如電源、純電動車電池充電的功率轉換和主驅
、工業電機驅動、太陽能和風能逆變器等可再生能源發電係統。

安森美(onsemi)的 1700-V EliteSiC MOSFET (NTH4L028N170M1) 提供更高擊穿電壓 (BV) SiC 方案，滿足大功率工業應用的需求。使用兩個 1700-V 雪崩額定值的 EliteSiC 肖特基二極管（NDSH25170A、NDSH10170A）
，設計人員便可實現高溫高壓下的穩定運行
，同時提供 SiC 帶來的高效率。

近日，在接受《Power Electronics News》采訪時
，安森美工業電源方案產品營銷總監 Ajay Reddy Sattu 指出，安森美的 EliteSiC 技術專注於兩個關鍵應用領域：能源基礎設施和電動汽車。

Ajay Reddy Sattu

安森美工業電源方案產品營銷總監

據 Sattu 說，最先是在能源基礎設施中
，雙向供電將大規模儲能係統與商業或電站規模的太陽能逆變器連接起來。

Sattu 說道：“雙向供電的靈活性意味著往返效率是一個重要指標
；因此對於電站規模的係統來說，即使效率略微提高 0.5%，也能省下大量能源。比如一個典型的太陽能應用
，其中直流輸出電壓被升壓到 1100-V ，然後逆變為三相交流電。如圖 1 所示，升壓級可以利用全 IGBT [Si IGBT + 二極管] 模塊方案或混合 IGBT [Si IGBT + SiC 二極管] 方案或全 SiC [SiC MOSFET + SiC 二極管] 方案來實現。雖然混合IGBT方案已經很普遍，但隨著未來幾年 SiC 晶圓成本的降低，全 SiC 方案將對混合IGBT方案構成挑戰。假設係統級條件為 500 V/25 A，Fsw 為 16 kHz

，輸出電壓為 800 V，使用 600 µH 升壓電感。”

從表 1 對混合 IGBT 方案和全 SiC 方案的比較可以明顯看出
，在相同條件下
，全 SiC 方案的總損耗低得多，因此效率更高。Sattu 表示：“采用全 SiC 模塊時，開關頻率可以提高到 40 kHz 或更高
，從而使升壓電感可低至 200 µH，成本和重量得以降低。”

圖1. 太陽能電池板應用

表1. 混合 IGBT 方案和全 SiC 方案的比較

第二個重點關注領域是電動汽車充電器 (EVC)。據 Sattu 說，根據電壓輸入和功率水平
，當今的電動汽車充電器主要分為三級。

他指出：“1 級一般是采用家電插座輸出的 120 V 單相交流電作為輸入
，最大額定電流為 15 至 20 A

，充電速度非常慢。2 級采用交流 220 V 進行充電，通常部署在家庭、工作場所或公共場所，能夠為汽車增加 12 至 80 英裏/小時的裏程，具體取決於功率輸出水平。2 級充電器可提供高達 7.7 至 11 kW 的充電功率，使得普通電動汽車可在大約 2 至 8 小時內充滿電。大得多的直流快速充電器為 3 級，僅部署在商業場所
，接入當地電力提供商的三相電源。這些係統可以在 30 分鍾內為電動汽車電池增加 100 英裏以上的行駛裏程。”

Sattu 補充道：“我們來看看圖 2 所示的典型電動汽車充電站框圖。以係統級的直流快速充電器為例。前端是一個三相功率因數校正 (PFC) 變換器，它可采用多種拓撲結構實現
，如兩電平、三電平、單向或雙向。來自電網的電壓電平 400 [歐盟] / 480 [美國] 升壓至 700 到 1000 V。隨後的隔離 DC/DC 將總線電壓轉換為所需的輸出電壓。輸出電壓與電動汽車電池電壓（通常為 400 V 或 800 V）一致
，需要覆蓋電壓充電曲線。因此
，DC/DC 輸出範圍可能在 150 V 至 1500 V 範圍內擺動。SiC MOSFET 的價值定位如下圖所示。為了適應電動汽車電池的雙向充電/放電過程和寬電壓範圍
，IGBT 被 SiC MOSFET 方案所取代。”

圖2. 電動汽車充電站框圖

設計挑戰

隨著越來越多的設計人員正在或已經將 SiC 用於其設計中
，對於 SiC 的質量、可靠性和供應情況是否長期有保障出現了一些擔憂。隨著 SiC MOSFET 的商用化和發展，柵極氧化層的可靠性也有了顯著提高。

柵zha極ji氧yang化hua層ceng和he保bao護hu其qi免mian受shou高gao電dian場chang影ying響xiang的de方fang法fa仍reng然ran是shi器qi件jian開kai發fa的de一yi個ge關guan鍵jian焦jiao點dian領ling域yu。改gai進jin篩shai選xuan測ce試shi以yi剔ti除chu隨sui時shi間jian推tui移yi可ke能neng有you參can數shu漂piao移yi的de芯xin片pian也ye很hen重zhong要yao。

在加工過程中
，柵極氧化層缺陷密度必須保持在最低水平
，以使 SiC MOSFET 像 Si MOSFET 一樣可靠。還必須開發創新的篩選方法，例如在最終電氣測試中發現並消除可能的較弱器件。

Sattu 說：“安森美從兩個方麵考慮柵極氧化層的可靠性：本征和外部。首先，我們的EliteSiC 工gong藝yi流liu程cheng經jing過guo了le強qiang化hua，在zai各ge個ge工gong序xu中zhong加jia入ru了le篩shai選xuan措cuo施shi
，以yi篩shai選xuan出chu由you工gong藝yi可ke能neng引yin起qi的de失shi效xiao模mo式shi。其qi次ci
，我wo們men還hai實shi施shi晶jing圓yuan級ji或huo封feng裝zhuang級ji老lao化hua方fang法fa來lai消xiao除chu早zao期qi失shi效xiao。此ci外wai
，作zuo為wei本ben征zheng可ke靠kao性xing研yan究jiu的de一yi部bu分fen
，我wo們men根gen據ju時shi間jian相xiang關guan的de介jie質zhi擊ji穿chuan特te性xing分fen析xi來lai評ping估gu EliteSiC MOSFET 技ji術shu，確que保bao器qi件jian在zai應ying用yong曲qu線xian所suo要yao求qiu的de範fan圍wei之zhi外wai也ye能neng正zheng常chang運yun行xing。顯xian然ran，氧yang化hua層ceng厚hou度du和he溝gou道dao遷qian移yi率lv之zhi間jian的de權quan衡heng取qu舍she限xian製zhi了le所suo使shi用yong的de氧yang化hua層ceng厚hou度du和he應ying用yong中zhong施shi加jia的de VGS [15 V 或 18 V]
，影響了長期可靠性。”

圖 3 比較了不同 VGS 下的壽命性能

，它比實際應用所采用的電壓要高得多。據 Sattu 說

，很明顯，我們采用遠超工業和汽車行業要求的測試條件進行了測試
，並成功得到了不同工況下所對應的失效等級。

圖3. VGS 與壽命性能的關係

VGS 遠高於實際應用中使用的電壓

寬kuan禁jin帶dai半ban導dao體ti潛qian力li很hen大da

，但dan設she計ji人ren員yuan需xu要yao意yi識shi到dao使shi用yong這zhe些xie材cai料liao帶dai來lai的de困kun難nan。以yi更geng高gao的de開kai關guan頻pin率lv和he更geng大da的de功gong率lv密mi度du工gong作zuo，可ke以yi實shi現xian無wu源yuan元yuan件jian（電感和電容）的(de)尺(chi)寸(cun)減(jian)小(xiao)
，創(chuang)建(jian)更(geng)輕(qing)更(geng)小(xiao)的(de)係(xi)統(tong)。然(ran)而(er)，預(yu)測(ce)這(zhe)些(xie)較(jiao)小(xiao)的(de)無(wu)源(yuan)元(yuan)件(jian)在(zai)較(jiao)高(gao)頻(pin)率(lv)下(xia)工(gong)作(zuo)時(shi)的(de)行(xing)為(wei)可(ke)能(neng)具(ju)有(you)挑(tiao)戰(zhan)性(xing)
，並(bing)且(qie)可(ke)能(neng)會(hui)出(chu)現(xian)熱(re)量(liang)管(guan)理(li)問(wen)題(ti)。寬(kuan)禁(jin)帶(dai)半(ban)導(dao)體(ti)的(de)工(gong)作(zuo)溫(wen)度(du)比(bi)矽(gui)基(ji)器(qi)件(jian)支(zhi)持(chi)的(de)溫(wen)度(du)高(gao)
，因(yin)此(ci)需(xu)要(yao)精(jing)心(xin)設(she)計(ji)。在(zai)整(zheng)個(ge)設(she)計(ji)階(jie)段(duan)都(dou)要(yao)考(kao)慮(lv)更(geng)大(da)的(de)熱(re)應(ying)力(li)
，這(zhe)可(ke)能(neng)會(hui)對(dui)係(xi)統(tong)的(de)可(ke)靠(kao)性(xing)產(chan)生(sheng)不(bu)利(li)影(ying)響(xiang)。再(zai)現(xian)或(huo)仿(fang)真(zhen)讓(rang)電(dian)子(zi)器(qi)件(jian)承(cheng)受(shou)極(ji)端(duan)熱(re)應(ying)力(li)的(de)惡(e)劣(lie)工(gong)作(zuo)環(huan)境(jing)，是(shi)電(dian)子(zi)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)麵(mian)臨(lin)的(de)主(zhu)要(yao)問(wen)題(ti)之(zhi)一(yi)。

熱管理的目標是有效地從芯片和封裝中散熱。據 Sattu 說，有以下幾種途徑。

他說：“首先
，可以采用銅基板方案以改善從器件結到散熱器的熱阻 Rth。這一點非常重要，尤其是對於 EliteSiC M3 技ji術shu平ping台tai而er言yan
，其qi具ju有you出chu色se的de特te定ding導dao通tong電dian阻zu。即ji使shi芯xin片pian很hen小xiao
，也ye可ke以yi通tong過guo使shi用yong銅tong基ji板ban，有you效xiao增zeng加jia散san熱re麵mian積ji，並bing且qie減jian少shao熱re阻zu。雖sui然ran提ti供gong銅tong基ji板ban在zai工gong業ye應ying用yong中zhong並bing不bu常chang見jian，但dan安an森sen美mei為wei F5 和 Q2 功率集成模塊 [PIM] 提供了這種配置選項
，而且目前正在開發使用銅基板的 F2 模塊。在我們最大的 PIM 模塊之一 F5 上采用了銅基板後，結果是 Rthjs 改善了 9.3%，如下圖所示。此外

，在同一 PCB 板上有多個 PIM 模塊的應用中，采用銅基板可以改善翹曲。”

他補充道：“第二個改進來自於 SiC 器件燒結技術的實施。這已經成為汽車產品的主流，將來安森美的工業產品可能會采用這種芯片貼裝(die-attach)工藝代替傳統的焊接工藝，以進一步降低熱阻。”

圖4. 熱性能

可再生能源

隨著太陽能係統母線電壓達到 1100 V 至 1500 V
，可再生能源應用正穩步推進到更高的電壓。客戶要求擊穿電壓更高的 MOSFET 來支持這種改進。新型 1700-V EliteSiC MOSFET 的最大 VGS 範圍為 -15 V/25 V，適合柵極電壓上升至 -10 V 的快速開關應用
，可提高係統的可靠性。

Sattu 說：“對於使用 1500 V 總線的發電站而言，為了滿足諸如減少宇宙射線引起的失效、提高效率和提供儲能功能之類的特殊要求
，將需要采用高效率的功率半導體。我們的 SiC MOSFET 和二極管額定值 1.7 kV，可提升 1500 V 直流總線的係統性能並降低成本。這裏的關鍵是達成類似於當今矽基方案的單通道成本或最大功率點跟蹤。隨著 SiC 製造成本的優化，基於 SiC 的 1.7 kV 升壓方案將能顯著降低係統成本。通過垂直整合
，安森美既有技術實力又有供應鏈能力來成為這一領域的主要參與者。”

前景和下一步規劃

？

除了太陽能和電動汽車充電器之外，基於 SiC 的器件在其他幾個應用領域也有顯著優勢
，尤其是額定電壓 650 V 的器件。

據 Sattu 說
，數據中心電源就是這樣一個例子。“如下圖所示

，新的 80 Plus Titanium 的要求和輕載效率的要求
，使 SiC MOSFET 的使用方式發生了係統層麵的轉變。例如，當前端采用圖騰柱 PFC 實現方案時，SiC MOSFET 將用於 PFC 的快速橋臂和 DC/DC 級的初級側。這裏的關鍵不僅僅是性能指標，還要滿足成本指標。安森美目前正在開發新的 650-V M3 產品以取代現有的 M1 產品，進一步改善基準品質因數和成本狀況。”

圖5. 數據中心設計

Sattu 補充說：“另一種新興應用是工業電機控製市場
，其對高效率和出色的熱管理、低 EMI
、良好的可控性和高可靠性有著嚴格的要求。類似於能源基礎設施市場，與 Si IGBT 相比，SiC 會hui為wei電dian機ji控kong製zhi應ying用yong提ti供gong更geng好hao的de價jia值zhi定ding位wei。例li如ru，對dui於yu伺si服fu驅qu動dong器qi，在zai芯xin片pian電dian流liu額e定ding值zhi相xiang似si的de情qing況kuang下xia，脈mai衝chong電dian流liu額e定ding值zhi會hui更geng高gao
，因yin而er使shi用yong被bei動dong散san熱re方fang案an即ji可ke，並bing且qie有you可ke能neng將jiang驅qu動dong係xi統tong與yu電dian機ji本ben身shen集ji成cheng。考kao慮lv到dao 90% 以上的操作是在恒速或低扭矩下進行的
，使用 SiC 可以顯著改善導通損耗。其他一些新興應用，如固態斷路器、固態變壓器和燃料電池逆變器等，采用 EliteSiC 產品組合也能提供高效率和熱優勢。”

對於電動汽車和可再生能源係統，電源管理方案必須能夠改善性能、節約成本並縮短開發時間。SiC 堆疊方法能夠提高性能和降低價格，目前對於電動汽車
、商業運輸
、可再生能源和存儲係統的設計人員非常有利。

SiC 器件廣泛應用於汽車行業，尤其是電動汽車和插電式混合動力汽車的製造。下一代電動汽車的動力係統必須能夠提升車輛的效率（從而增加行駛裏程）和電池充電速度。

SiC 逆變器被證明是解決這些問題的關鍵器件。基於 SiC 的逆變器可以實現高達 99% 的效率，而標準逆變器將能量從電池傳輸到電機的效率為 97% 至 98%。值得注意的是
，小數點後一位或兩位的效率提升能對整車產生巨大的積極影響。

由you於yu能neng源yuan需xu求qiu的de增zeng加jia和he可ke再zai生sheng能neng源yuan使shi用yong的de擴kuo大da，微wei電dian網wang在zai減jian少shao溫wen室shi氣qi體ti排pai放fang和he對dui化hua石shi燃ran料liao的de依yi賴lai方fang麵mian變bian得de更geng加jia重zhong要yao。然ran而er，微wei電dian網wang係xi統tong不bu能neng采cai用yong矽gui基ji固gu態tai逆ni變bian器qi和he開kai關guan
，因yin為wei它ta們men體ti積ji太tai大da且qie效xiao率lv低di下xia。SiC 等寬禁帶半導體具有更高的擊穿電壓和開關頻率，是開發高效可靠微電網的關鍵因素。

youyulaizifeixianxingfuzaidefeizhengxiandianliu，lianjiedaowangluodedaliangdianzishebeihuizainengliangfenpeixitongzhongchanshengdaliangxiebo。caiyongheshideyouyuanhuowuyuanlvboqishixiaochunengliangfenpeixitongzhongdexieboshizhendejingdianfangfazhiyi。tongguojiangxiebobuchanggongnengzhijiejichengdaozhuanhuanqizhong，wuxuteshulvboqi
，jiyu SiC 的功率器件能夠在非常高的開關電壓和頻率下工作
，從而減小設計的尺寸

、複雜度和成本。

雖然 SiC 的特性已經為人所知有一段時間了
，但第一批 SiC 功率器件是最近才生產出來的，始於 21 世紀初
，使用的是 100 mm 晶圓。幾年前，大多數製造商轉向 150 mm 晶圓
，最近又轉向大規模生產 200 mm（8 英寸）晶圓。

由於麵臨保持相同質量和良率的挑戰，SiC 晶圓從 4 英寸到 6 英寸的轉變並不順利。材料的特性是 SiC 製造中最大的問題。由於硬度極高（幾乎接近鑽石），SiC 的晶體形成和加工需要更長的時間、更多的能量和更高的溫度。此外，最常見的晶體結構 (4H-SiC) 具有高透明度和高折射率，因此難以分析材料有無可能影響外延生長或最終元件良率的表麵缺陷。

結晶堆垛層錯

、表麵顆粒
、微管、凹坑
、劃痕和汙漬是製造 SiC 基板時可能出現的主要缺陷。這些變數可能對 SiC 器件的性能產生負麵影響；相比於 100 mm 晶圓，它們在 150 mm 晶圓上出現的頻率更高。SiC 是世界上第三硬的複合材料，而且非常易碎，因此其製造存在周期時間、成本和切割性能方麵的困難。向 200-mm SiC 晶jing圓yuan的de轉zhuan變bian將jiang使shi汽qi車che和he工gong業ye市shi場chang受shou益yi匪fei淺qian，因yin為wei它ta能neng加jia快kuai這zhe些xie市shi場chang的de係xi統tong和he產chan品pin的de電dian氣qi化hua進jin程cheng。隨sui著zhe產chan量liang的de提ti高gao
，這zhe對dui促cu進jin規gui模mo經jing濟ji至zhi關guan重zhong要yao。

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