功率半导体市场大幅增长 SiC跻身电源组件主流

　　过去几年来，碳化硅（SiC）型功率半导体解决方案的使用情形大幅成长，成为各界仰赖的革命性发展。SiC这项全新的宽带隙技术，不仅是向前迈进的革命性发展（例如过去几年来每一代新型的硅功率装置），也具有真正改变局势的能力。

　　过去几年来，碳化硅（SiC）型功率半导体解决方案的使用情形大幅成长，成为各界仰赖的革命性发展。推动此项市场发展的力量包括下列趋势：节能、缩减体积、系统整合及提升可靠性。

　　IGBT搭配SiC二极管　宽带隙技术改变局势

　　SiC装置定位能够充分因应上述市场挑战。这项全新的宽带隙技术，不仅是向前迈进的革命性发展（例如过去几年来每一代新型的硅功率装置），也具有真正改变局势的能力。碳化硅型系统的革命性能力在于大幅提升效能，对于关注创新及划时代解决方案的设计人员而言，相当具有吸引力。IGBT或超接面MOSFET结合SiC二极管，已经成为多种应用的标准配备，例如太阳能、充电器或电源供应。

　　这类组合是以快速的硅基开关搭配SiC二极管，通常称为「混合式」解决方案。

　　近年来英飞凌已经制造数百万个混合式模块，安装于各种不同的客户产品。

　　全球第一个混合式模块是在十多年前开发，以英飞凌EconoPACK封装平台为基础（图1）。特定应用部门是英飞凌任何新技术的初期采用者。视实际系统价值而定，如果新技术成本/效能的吸引力，足以改用更高技术的新型解决方案，其他应用就会跟进。英飞凌将深获肯定的SiC二极管设计，应用于高阶电源供应器之后，发现太阳能变频器及升压电路是其中最可能受益于此项新技术的部分。
 

　　图1　全球第一个混合式模块解决方案，自2006年起生产。

　　除此之外，不断电系统（UPS）及充电器等领域也可能跟进。像是马达驱动器、牵引设备，以及长期展望的汽车应用等传统部门，预计都将非常有兴趣大规模改采新型半导体技术。

　　以往，能源效率是设计及营销的关键，也使太阳能变频器迈向成功。例如升压电路使用的SiC二极管，是达到98%以上效率的最佳解决方案。

　　目前太阳能设计的主要趋势，是基于减少切换损耗的方式来提升功率密度，实现体积更小的散热器，此外也允许使用更高的作业频率，藉以缩小磁铁尺寸。 SiC二极管在现代太阳能变频器及微变频器应用方面，正逐渐成为主要组件。最近英飞凌SiC二极管技术迈入第五代。SiC二极管则更进一步采用缩小晶粒的方式，达到更具吸引力的成本定位。

　　此外，新技术功能实作之后，将较前代技术提供更多的客户利益，例如降低正向电压降，使导通损耗减少，以及提升突波电流功能，并改善崩溃行为。混合式解决方案是现今全球太阳能变频器的标准作法。英飞凌已经提供此类技术15年以上，以深获肯定的纪录及可靠的大量生产，成为此项技术值得信赖的合作伙伴。

　　英飞凌采用整合式的制造概念，SiC芯片的生产线与大量的硅功率芯片相同，藉此保证达到与硅产品同等的可靠性及制程稳定性。此外，这项整合式概念也在产能方面也有所弹性，这项关键因素有助于在快速变迁的市场上推动新兴技术普及。

　　依据对系统的深入了解，并明确着重在提升成本效能，可在硅半导体及碳化硅半导体之间形成最佳组合，成功定义产品。

　　磁铁组件尺寸大幅缩减　SiC成功在望

　　这项作法不再以纯半导体技术推动产品定义，而是针对目标系统量身打造的解决方案，此一发展方向是SiC成功在望的关键要素。从二极管技术的经验看来，SiC晶体管未来几年将以类似方式推出。这是重要的下一步，让SiC更能与主流技术并驾齐驱。如上所述，关键要素为：

　　．深获肯定的坚固程度

　　．具吸引力的成本/效能，实现可评测的系统优点

　　．大量生产能力

　　．依据对系统的了解来推动产品定义

　　多年来进行丰富深入的研究，主要是为了了解SiC的系统利益。使用单极SiC晶体管的转换器提升切换频率，可大幅缩减磁铁组件的体积和重量。依据英飞凌的分析，建构于SiC装置的转换器相较于现有的硅基参考解决方案，尺寸仅为三分之一，重量则只有25%。由于体积及重量大幅缩减，系统成本也可降低20%以上。

　　未来几年碳化硅解决方案将扩展进入其他应用领域，例如工业或牵引装置。这是因为市场力量促使损耗降低，不仅为了提升效率，也是为了缩小封装体积（由减少散热器需求所促成）。如图2所示，SiC已经用于各种高阶及利基解决方案。现今的设计也发挥上述效益，在特定应用领域降低系统成本。

　　图2　SiC的优点取决于使用场所及相关应用

　　未来实作碳化硅解决方案后，会有更多应用受益于整体的损耗降低。在此方面，下一项重要步骤就是采用SiC开关。

　　崩溃场强度超出10倍　碳化硅多项特性胜出

　　为了了解硅和碳化硅解决方案之间的差异，必须明确指出：碳化硅装置属于所谓的宽带隙半导体。硅与SiC材料特性比较如图3所示。快速以及单极的肖特基二极管与场效式碳化硅开关（MOSFET、JFET）的电压范围，可延伸超过1000V，原因是SiC材料本身的特性：

　　图3　硅与碳化硅的材料特性比较

　　．高电压肖特基二极管达成低漏电流的原因，是金属半导体阻障比硅肖特基二极管高两倍。

　　．相较于硅，单极晶体显得极有吸引力，其具有特定导通电阻，原因是崩溃场强度超出约10倍。

　　图4显示不同半导体的最低特定导通电阻，与所需阻断电压的比较（这里仅使用漂移区，基板对电阻的任何影响均忽略不计）。每条线的端点象征特定半导体在单极组态的可用电压范围，不含超接面MOSFET。

　　图4　比较碳化硅与硅的导通电组及阻断电压

　　SiC晶体管将成为吸引人的替代方案，取代工业功率电子领域现有的IGBT技术。

　　SiC独有的材料特性，可设计无少数载子的单极装置，取代高阻断电压的电荷调变IGBT装置。这项效能主要基于宽带隙提供的高临界场。

　　IGBT的损耗限制，由少数载子的动力所造成。而这类少数载子将在MOSFET之中遭到消除。例如SiC MOSFET已测得100kV/μs以上的超高dv/dt斜率。一开始时，相较于1，200V以上的IGBT，SiC晶体的出色动态效能是最重要的优势。不过，最近结果显示IGBT技术具有庞大潜能，如英飞凌TRENCHSTOP 5技术所示。