碳化硅在电力电子领域的应用挑战

碳化硅是一种非常高效的材料，具有高功率和高温特性。

碳化硅 (SiC) 半导体是提高系统效率、支持更高工作温度和降低电力电子设计成本的创新选择。碳化硅是硅和碳的化合物，是一种具有同素异形变体的半导体材料。电流密度很容易达到5甚至10 A/mm²，而SiC的放电电压一般在100 V/μm的范围内，而硅则为10 V/μm。碳化硅的特性使其成为用于生物医学材料、高温半导体器件、同步加速器光学元件以及轻质、高强度结构的理想材料。

碳化硅组件的制造工艺（图片来源：GT Advanced Technologies）

由于碳化硅具有高导热性，它比其他半导体材料散热更快。因此，碳化硅器件可以在极高的功率水平下运行，并且仍然可以消散器件产生的大量多余热量。

Microchip Technology 分立和电源管理业务部战略营销经理奥兰多·埃斯帕扎 (Orlando Esparza) 表示：“碳化硅的增长率很高，碳化硅供应商要满足快速增长的需求将面临挑战。“碳化硅功率器件并未商品化，在性能、可靠性和坚固性方面存在真正的差异。鉴于来自不同供应商的各种设计、开发和制造 [环境]，最低成本的设备不太可能满足关键任务应用程序的高可靠性要求。设计人员需要确保他们在自己的工作台和系统上仔细评估设备性能、可靠性和严格条件下的性能下降。”

SiC 块状晶体：一种新的商业模式

强劲的市场需求和对 SiC 产品的持续趋势促使公司优化 SiC 生产工艺。彻底改变基板供应链可以快速响应对高功率解决方案不断增长的需求。

从材料到成品（图片：GT Advanced Technologies）

GT Advanced Technologies 为晶圆制造商提供晶体，使他们能够迅速扩展到基板生产市场。GT 的商业模式使公司能够避免与现有企业和新竞争对手直接竞争，而是让它更高效、更快速地扩展，提供高晶体质量并降低成本。

GT Advanced Technologies 总裁兼首席执行官 Greg Knight 表示：“我们的商业模式是，我们销售晶体本身，即块状晶体，其外形尺寸可以随时进行晶圆加工。” “我们种植晶体，将其研磨到指定的直径，然后将其切成特定的形状，这就是我们销售的产品。我们的客户拿下那个 [水晶]，把它放进线锯，然后就走了。”

“您可以通过碳化硅快速了解到任何地方都没有简单的元素，”奈特说。“晶体的生长非常困难。一旦你有了晶体，因为它是一种非常坚硬、易碎的单晶材料，没有什么是容易的。我们专注于晶体生长，我认为这是目前材料价值链中最困难的一步。之所以困难，是因为这是一个完全盲目的过程；你无法看到或直接衡量你在做什么。您必须对盲流程进行非常、非常稳健的流程控制。”

碳化硅和封装

SiC 提供的高性能实现了更小、更热效率的封装，尽管它们必须采用对称布局设计以最小化电路电感。碳化硅不是天然矿物。碳化硅掺杂是一个困难的过程，生产具有更少缺陷的更大碳化硅晶片的挑战使得制造和加工成本居高不下。因此，从一开始就提供良好的开发流程至关重要。

“碳化硅并非没有缺陷；实际上，与硅相比，它是一种非常有缺陷的材料，”奈特说。“作为材料供应商，我们非常有责任提高质量并继续降低这些缺陷水平。”

他补充说，GT Advanced Technologies “在很短的时间内在质量方面取得了巨大进步”。“大约一年前，我们开始努力大幅提高我们的水晶质量，并完成了这一步骤，现在提供我们认为是市场上最高质量的产品。我们需要不断提高水晶的品质；这是一项持续的努力，永远不会结束。”

Knight 说，高产量也很重要。产量越高，成本越低。并且“创新不止于设备；围绕封装和热管理存在大量挑战。整个生态系统必须继续进行创新。”

特斯拉等公司开发了先进的电池、电机和控制技术，使高性能电动汽车 (EV) 一次充电可行驶 300 英里或更长。提高电动汽车效率的一种方法是在动力传动系统中使用更高效的半导体开关，并增加电动辅助车辆系统的数量。然而，传动系统中使用的电机控制电子设备被视为安全关键功能，因此设计人员必须使用经过充分验证的技术。

SiC 的低开关损耗、耐高温能力和高开关频率使其成为满足最佳混合 EV/EV (xEV) 要求的理想选择。“随着越来越多的车队转向电动汽车，碳化硅的增长将继续来自汽车等行业，并且您会看到 MOSFET 超过 IGBT 的增长。今天的大用户是特斯拉，”奈特说。

为了演示 SiC 功率 MOSFET 和二极管在半桥配置中的连续运行，Littelfuse 构建了一个栅极驱动器评估平台 (GDEV)。该平台提供了一组明确定义的测试条件和快速连接功能，以评估和比较不同驱动板设计与不同驱动器 IC 的性能。它还具有完整的热解决方案，允许功率设备在高电压和高电流下连续运行并提供实际功率。

栅极驱动器评估平台（图片来源：Littelfuse）

碳化硅技术正在大功率项目中得到应用，例如电机、电力驱动器和逆变器或变频器，例如动力系统逆变器和车载充电器 (OBC)。

Microchip Technology 的 Esparza 表示：“一些电机应用在较低频率下开关并没有充分利用碳化硅的快速开关能力。“电动汽车电机驱动应用的目标是碳化硅，以从更高的功率密度、更高的结温和更小的整体设计中受益。”

Microchip 的 MSCSICPFC/REF5 是一款三相维也纳功率因数校正 (PFC) 参考设计，适用于混合动力 EV/EV 充电器和高功率开关模式电源。该参考设计在 20 kW 输出功率下实现了 98.5% 的效率，并且能够以 30 kW 的功率运行。

Esparza 说：“行业需要将他们的思维从基于硅的设计转变为碳化硅技术。“需要对整个拓扑、系统和材料清单进行系统级方法和评估，以证明转向碳化硅的合理性。所有行业都可以从 SiC 中受益，我们看到了各个行业的兴趣和应用：医疗、工业、汽车、计算、航空、国防、太空等。”

三相 Vienna 功率因数校正参考设计（图片来源：Microchip）

其他宽带隙材料

在某些应用中，碳化硅并不是唯一一种被视为硅替代品的宽带隙材料。氮化镓 (GaN) 组件也正在改变电力电子领域，从大约 100 W 的电源开始。 GaN 技术也正在进入 RF 放大器，这要归功于使其适用于转换和电源系统的相同特性。

然而，唯一的宽带隙 IV 族半导体材料是 SiC 和金刚石。“钻石显然是一种宽带隙材料，具有一些惊人的特性，”奈特说。“目前还没有培育大型单晶金刚石的能力。它是在非常非常小的晶体中以非常非常低的产量完成的。但如果我想到一种最终会取代 SiC 的材料，那可能就是金刚石。这是一个全新的技术挑战水平。”

我们正在经历社会如何使用电力的革命。与硅等传统材料相比，宽带隙材料能够提高功率转换应用的效率。SiC 与其 III-V 族对应物 GaN 一起提供了能源方面的优势，使其成为电力电子开发的关注焦点。