意法半導體最近推出了第三代 STPOWER 碳化硅 (SiC) MOSFET，針對先進的功率應用（例如 EV 動力系統(tǒng)）和其他功率密度、能效和可靠性是相關關鍵因素的應用。

向電動汽車的過渡和內燃機的逐步替代正在推動制造越來越高效的電動汽車 (EV) 的競賽。對于這些應用，電力電子設備發(fā)揮著至關重要的作用，可以實現(xiàn)更高效的逆變器、轉換器、動力系統(tǒng)和車載充電器。電動汽車以及電動汽車充電站、工業(yè)驅動、數據中心電源、能源生產和存儲等許多工業(yè)應用中使用的功率器件必須滿足與功率損耗、擊穿電壓、開關頻率、最高工作溫度相關的特定要求, 和熱導率。

盡管硅基功率器件多年來已廣泛應用于電力電子領域，但它們仍存在一些重要的局限性，包括低帶隙能量、有限的開關頻率和低熱導率。寬帶隙器件 (WBG)，例如碳化硅，提供更大的帶隙、更高的擊穿電壓和更好的熱管理。因此，WBG 正在取代高壓、高開關頻率和高溫應用中的硅器件。

適用于電動汽車市場的ST 第 3代SiC MOSFET

隨著電動汽車市場的加速發(fā)展，汽車制造商需要更高電壓（例如 800V）的驅動系統(tǒng)，以減少充電時間和電動汽車整體重量，這反過來意味著更長的行駛里程。ST第三代 STPOWER SiC MOSFET 專為滿足高端汽車應用的要求而設計，包括電動汽車牽引逆變器、車載充電器和 DC/DC 轉換器（見圖 1）。

新的基于 SiC 的器件也適用于工業(yè)應用。在這些方面，它們可以提高電機驅動器、可再生能源轉換器和存儲系統(tǒng)以及電信和數據中心電源的效率。

ST 最新的 STPOWER SiC MOSFET 為表示晶體管效率、功率密度和開關性能的公認品質因數 (FoM) 設定了行業(yè)領先基準。

“今年，我們開始生產我們的第三代 STPOWER SiC MOSFET，與第二代產品相比，它提供了一系列顯著改進，以滿足我們客戶日益苛刻的要求，”戰(zhàn)略營銷經理 Filippo Di Giovanni 說， STMicroelectronics 的功率晶體管宏觀部門。

在這些改進中：導通電阻 (Ron) x die size FoM 提高了 30%，而 Ron x 柵極電荷 (Qg) FoM平均提高了 50%。

新器件將提供從 650V 和 750V 到高達 1200V 的標稱額定電壓，其中 900V 作為中間步驟，為設計人員提供了解決使用普通 AC 線路電壓運行的應用所需的靈活性，直至使用高壓 EV 電池和充電器。750V 電壓變體提供了額外的電壓裕度，并首次推出，以響應來自客戶的精確要求。

“從歷史上看，為 IGBT 引入了 750V 電壓變體。由于碳化硅 MOSFET 可以在更高效的應用中替代 IGBT，因此我們提供了一個額外的電壓選項，可以在不影響最大電壓要求的情況下提高系統(tǒng)性能，”Di Giovanni 說。

圖 2 更詳細地顯示了 SiC MOSFET 如何在 EV 應用中有效替代 IGBT 和 Si MOSFET。

圖 2：在 EV 中用基于 SiC 的器件替代硅（來源：ST）

與其硅替代品相比，SiC MOSFET 的額定電壓相對于其裸片尺寸而言具有更高的額定電壓，這使得這些器件成為 EV 應用和快速充電 EV 基礎設施的絕佳選擇。此外，它們還受益于一個非常快速的本征二極管，該二極管可提供汽車車載充電器 (OBC) 所需的雙向特性，用于車輛到一切 (V2X) 功率流，允許將電力從 OBC 電池傳輸到基礎設施。此外，碳化硅支持更高的開關頻率，允許在電力系統(tǒng)中使用更小的無源元件，并在車輛中使用更緊湊和更輕便的電氣設備。

“得益于我們專有的平面技術，我們的成就和改進得以實現(xiàn)，該技術仍然有助于進一步改進?？赡艿?。事實上，我們仍在繼續(xù)我們的路線圖，并預計能夠在幾年內推出第四次平面迭代，”Di Giovanni 說。

在 ST，工程師們還開始利用 ST 在功率半導體領域的長期知識和專長，對新結構進行高級仿真。他們正處于起步階段，仍在忙于改進平面結構，他們認為這是解決問題的最佳方法之一。制造碳化硅 MOSFET。

ST將提供不同形式的第三代器件，包括裸片、STPAK、H2PAK-7L、HiP247-4L和HU3PAK等分立電源封裝以及ACEPACK系列的電源模塊。這些封裝還提供創(chuàng)新的設計功能，例如專門放置的冷卻片，可簡化與 EV 應用中的基板和散熱器的連接。這些選項為設計人員提供了針對電動汽車主牽引逆變器、車載充電器 (OBC)、DC/DC 轉換器、電子氣候壓縮機等應用以及太陽能逆變器、儲能系統(tǒng)、電機驅動等工業(yè)應用進一步優(yōu)化的選擇和電源。

關于應用，Di Giovanni 認為最大的市場仍將是電動汽車。就數量而言，他認為即使公司已經開始服務于高端工業(yè)市場，汽車行業(yè)仍將帶動碳化硅的產能。ST 于 2014 年開始生產其首款 1200V SiC MOSFET 時，主要針對太陽能逆變器市場。然后，他們勇敢地決定將這項全新的技術用于新興的電動汽車市場，使 ST 成為該技術無可爭議的市場領導者。

“在汽車應用的惡劣和惡劣環(huán)境中測試和調試了這項技術之后，我們可以安全地將這項技術推薦給任何其他市場，包括工業(yè)市場，”Di Giovanni 說。

為了滿足不斷增長的需求，ST 正在擴大其碳化硅 MOSFET 的生產和制造能力。在新加坡啟動第二條 6 英寸生產線后，ST 擴大了其位于卡塔尼亞（意大利）的主要工廠的產能，成功復制了首批 8 英寸 SiC 原型，首先是實現(xiàn)了二極管。

“我們計劃在 2024 年使所有碳化硅產品的收入達到 10 億美元，這比我們之前宣布的要早一年，”Di Giovanni 說。

審核編輯 黃昊宇