Ajay Reddy Sattu

安森美工業(yè)電源方案產(chǎn)品營(yíng)銷總監(jiān)

據(jù) Sattu 說(shuō)，最先是在能源基礎(chǔ)設(shè)施中，雙向供電將大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)與商業(yè)或電站規(guī)模的太陽(yáng)能逆變器連接起來(lái)。

從表 1 對(duì)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(shí)，開(kāi)關(guān)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(yáng)能電池板應(yīng)用

表1. 混合 IGBT 方案和全 SiC 方案的比較

第二個(gè)重點(diǎn)關(guān)注領(lǐng)域是電動(dòng)汽車充電器 (EVC)。據(jù) Sattu 說(shuō)，根據(jù)電壓輸入和功率水平，當(dāng)今的電動(dòng)汽車充電器主要分為三級(jí)。

圖2. 電動(dòng)汽車充電站框圖

隨著越來(lái)越多的設(shè)計(jì)人員正在或已經(jīng)將 SiC 用于其設(shè)計(jì)中，對(duì)于 SiC 的質(zhì)量、可靠性和供應(yīng)情況是否長(zhǎng)期有保障出現(xiàn)了一些擔(dān)憂。隨著 SiC MOSFET 的商用化和發(fā)展，柵極氧化層的可靠性也有了顯著提高。

柵極氧化層和保護(hù)其免受高電場(chǎng)影響的方法仍然是器件開(kāi)發(fā)的一個(gè)關(guān)鍵焦點(diǎn)領(lǐng)域。改進(jìn)篩選測(cè)試以剔除隨時(shí)間推移可能有參數(shù)漂移的芯片也很重要。

在加工過(guò)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(kāi)發(fā)創(chuàng)新的篩選方法，例如在最終電氣測(cè)試中發(fā)現(xiàn)并消除可能的較弱器件。

圖 3 比較了不同 V_GS下的壽命性能，它比實(shí)際應(yīng)用所采用的電壓要高得多。據(jù) Sattu 說(shuō)，很明顯，我們采用遠(yuǎn)超工業(yè)和汽車行業(yè)要求的測(cè)試條件進(jìn)行了測(cè)試，并成功得到了不同工況下所對(duì)應(yīng)的失效等級(jí)。

圖3. V_GS 與壽命性能的關(guān)系

V_GS 遠(yuǎn)高于實(shí)際應(yīng)用中使用的電壓

寬禁帶半導(dǎo)體潛力很大，但設(shè)計(jì)人員需要意識(shí)到使用這些材料帶來(lái)的困難。以更高的開(kāi)關(guān)頻率和更大的功率密度工作，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)源元件（電感和電容）的尺寸減小，創(chuàng)建更輕更小的系統(tǒng)。然而，預(yù)測(cè)這些較小的無(wú)源元件在較高頻率下工作時(shí)的行為可能具有挑戰(zhàn)性，并且可能會(huì)出現(xiàn)熱量管理問(wèn)題。寬禁帶半導(dǎo)體的工作溫度比硅基器件支持的溫度高，因此需要精心設(shè)計(jì)。在整個(gè)設(shè)計(jì)階段都要考慮更大的熱應(yīng)力，這可能會(huì)對(duì)系統(tǒng)的可靠性產(chǎn)生不利影響。再現(xiàn)或仿真讓電子器件承受極端熱應(yīng)力的惡劣工作環(huán)境，是電子設(shè)計(jì)人員面臨的主要問(wèn)題之一。

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

圖4. 熱性能

隨著太陽(yáng)能系統(tǒng)母線電壓達(dá)到 1100 V 至 1500 V，可再生能源應(yīng)用正穩(wěn)步推進(jìn)到更高的電壓?？蛻粢髶舸╇妷焊叩?MOSFET 來(lái)支持這種改進(jìn)。新型 1700-V EliteSiC MOSFET 的最大 V_GS 范圍為 -15 V/25 V，適合柵極電壓上升至 -10 V 的快速開(kāi)關(guān)應(yīng)用，可提高系統(tǒng)的可靠性。

除了太陽(yáng)能和電動(dòng)汽車充電器之外，基于 SiC 的器件在其他幾個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域也有顯著優(yōu)勢(shì)，尤其是額定電壓 650 V 的器件。

圖5. 數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)

對(duì)于電動(dòng)汽車和可再生能源系統(tǒng)，電源管理方案必須能夠改善性能、節(jié)約成本并縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間。SiC 堆疊方法能夠提高性能和降低價(jià)格，目前對(duì)于電動(dòng)汽車、商業(yè)運(yùn)輸、可再生能源和存儲(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員非常有利。

SiC 器件廣泛應(yīng)用于汽車行業(yè)，尤其是電動(dòng)汽車和插電式混合動(dòng)力汽車的制造。下一代電動(dòng)汽車的動(dòng)力系統(tǒng)必須能夠提升車輛的效率（從而增加行駛里程）和電池充電速度。

SiC 逆變器被證明是解決這些問(wèn)題的關(guān)鍵器件?；?SiC 的逆變器可以實(shí)現(xiàn)高達(dá) 99% 的效率，而標(biāo)準(zhǔn)逆變器將能量從電池傳輸?shù)诫姍C(jī)的效率為 97% 至 98%。值得注意的是，小數(shù)點(diǎn)后一位或兩位的效率提升能對(duì)整車產(chǎn)生巨大的積極影響。

由于能源需求的增加和可再生能源使用的擴(kuò)大，微電網(wǎng)在減少溫室氣體排放和對(duì)化石燃料的依賴方面變得更加重要。然而，微電網(wǎng)系統(tǒng)不能采用硅基固態(tài)逆變器和開(kāi)關(guān)，因?yàn)樗鼈凅w積太大且效率低下。SiC 等寬禁帶半導(dǎo)體具有更高的擊穿電壓和開(kāi)關(guān)頻率，是開(kāi)發(fā)高效可靠微電網(wǎng)的關(guān)鍵因素。

由于來(lái)自非線性負(fù)載的非正弦電流，連接到網(wǎng)絡(luò)的大量電子設(shè)備會(huì)在能量分配系統(tǒng)中產(chǎn)生大量諧波。采用合適的有源或無(wú)源濾波器是消除能量分配系統(tǒng)中的諧波失真的經(jīng)典方法之一。通過(guò)將諧波補(bǔ)償功能直接集成到轉(zhuǎn)換器中，無(wú)需特殊濾波器，基于 SiC 的功率器件能夠在非常高的開(kāi)關(guān)電壓和頻率下工作，從而減小設(shè)計(jì)的尺寸、復(fù)雜度和成本。

雖然 SiC 的特性已經(jīng)為人所知有一段時(shí)間了，但第一批 SiC 功率器件是最近才生產(chǎn)出來(lái)的，始于 21 世紀(jì)初，使用的是 100 mm 晶圓。幾年前，大多數(shù)制造商轉(zhuǎn)向 150 mm 晶圓，最近又轉(zhuǎn)向大規(guī)模生產(chǎn) 200 mm（8 英寸）晶圓。

由于面臨保持相同質(zhì)量和良率的挑戰(zhàn)，SiC 晶圓從 4 英寸到 6 英寸的轉(zhuǎn)變并不順利。材料的特性是 SiC 制造中最大的問(wèn)題。由于硬度極高（幾乎接近鉆石），SiC 的晶體形成和加工需要更長(zhǎng)的時(shí)間、更多的能量和更高的溫度。此外，最常見(jiàn)的晶體結(jié)構(gòu) (4H-SiC) 具有高透明度和高折射率，因此難以分析材料有無(wú)可能影響外延生長(zhǎng)或最終元件良率的表面缺陷。

結(jié)晶堆垛層錯(cuò)、表面顆粒、微管、凹坑、劃痕和污漬是制造 SiC 基板時(shí)可能出現(xiàn)的主要缺陷。這些變數(shù)可能對(duì) SiC 器件的性能產(chǎn)生負(fù)面影響；相比于 100 mm 晶圓，它們?cè)?150 mm 晶圓上出現(xiàn)的頻率更高。SiC 是世界上第三硬的復(fù)合材料，而且非常易碎，因此其制造存在周期時(shí)間、成本和切割性能方面的困難。向 200-mm SiC 晶圓的轉(zhuǎn)變將使汽車和工業(yè)市場(chǎng)受益匪淺，因?yàn)樗芗涌爝@些市場(chǎng)的系統(tǒng)和產(chǎn)品的電氣化進(jìn)程。隨著產(chǎn)量的提高，這對(duì)促進(jìn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)至關(guān)重要。

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