碳化硅是一種非常高效的材料，具有高功率和高溫特性。

碳化硅 (SiC) 半導(dǎo)體是提高系統(tǒng)效率、支持更高工作溫度和降低電力電子設(shè)計成本的創(chuàng)新選擇。碳化硅是硅和碳的化合物，是一種具有同素異形變體的半導(dǎo)體材料。電流密度很容易達(dá)到5甚至10 A/mm2，而SiC的放電電壓一般在100 V/μm的范圍內(nèi)，而硅則為10 V/μm。碳化硅的特性使其成為用于生物醫(yī)學(xué)材料、高溫半導(dǎo)體器件、同步加速器光學(xué)元件以及輕質(zhì)、高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)的理想材料。

碳化硅組件的制造工藝（圖片來源：GT Advanced Technologies）

由于碳化硅具有高導(dǎo)熱性，它比其他半導(dǎo)體材料散熱更快。因此，碳化硅器件可以在極高的功率水平下運(yùn)行，并且仍然可以消散器件產(chǎn)生的大量多余熱量。

Microchip Technology 分立和電源管理業(yè)務(wù)部戰(zhàn)略營銷經(jīng)理奧蘭多·埃斯帕扎 (Orlando Esparza) 表示：“碳化硅的增長率很高，碳化硅供應(yīng)商要滿足快速增長的需求將面臨挑戰(zhàn)?！疤蓟韫β势骷⑽?a target="_blank">商品化，在性能、可靠性和堅固性方面存在真正的差異。鑒于來自不同供應(yīng)商的各種設(shè)計、開發(fā)和制造 [環(huán)境]，最低成本的設(shè)備不太可能滿足關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用程序的高可靠性要求。設(shè)計人員需要確保他們在自己的工作臺和系統(tǒng)上仔細(xì)評估設(shè)備性能、可靠性和嚴(yán)格條件下的性能下降?！?/p>

SiC 塊狀晶體：一種新的商業(yè)模式

強(qiáng)勁的市場需求和對 SiC 產(chǎn)品的持續(xù)趨勢促使公司優(yōu)化 SiC 生產(chǎn)工藝。徹底改變基板供應(yīng)鏈可以快速響應(yīng)對高功率解決方案不斷增長的需求。

從材料到成品（圖片：GT Advanced Technologies）

GT Advanced Technologies 為晶圓制造商提供晶體，使他們能夠迅速擴(kuò)展到基板生產(chǎn)市場。GT 的商業(yè)模式使公司能夠避免與現(xiàn)有企業(yè)和新競爭對手直接競爭，而是讓它更高效、更快速地擴(kuò)展，提供高晶體質(zhì)量并降低成本。

GT Advanced Technologies 總裁兼首席執(zhí)行官 Greg Knight 表示：“我們的商業(yè)模式是，我們銷售晶體本身，即塊狀晶體，其外形尺寸可以隨時進(jìn)行晶圓加工。” “我們種植晶體，將其研磨到指定的直徑，然后將其切成特定的形狀，這就是我們銷售的產(chǎn)品。我們的客戶拿下那個 [水晶]，把它放進(jìn)線鋸，然后就走了?！?/p>

“您可以通過碳化硅快速了解到任何地方都沒有簡單的元素，”奈特說?！熬w的生長非常困難。一旦你有了晶體，因為它是一種非常堅硬、易碎的單晶材料，沒有什么是容易的。我們專注于晶體生長，我認(rèn)為這是目前材料價值鏈中最困難的一步。之所以困難，是因為這是一個完全盲目的過程；你無法看到或直接衡量你在做什么。您必須對盲流程進(jìn)行非常、非常穩(wěn)健的流程控制。”

碳化硅和封裝

SiC 提供的高性能實現(xiàn)了更小、更熱效率的封裝，盡管它們必須采用對稱布局設(shè)計以最小化電路電感。碳化硅不是天然礦物。碳化硅摻雜是一個困難的過程，生產(chǎn)具有更少缺陷的更大碳化硅晶片的挑戰(zhàn)使得制造和加工成本居高不下。因此，從一開始就提供良好的開發(fā)流程至關(guān)重要。

“碳化硅并非沒有缺陷；實際上，與硅相比，它是一種非常有缺陷的材料，”奈特說?！白鳛椴牧瞎?yīng)商，我們非常有責(zé)任提高質(zhì)量并繼續(xù)降低這些缺陷水平。”

他補(bǔ)充說，GT Advanced Technologies “在很短的時間內(nèi)在質(zhì)量方面取得了巨大進(jìn)步”?！按蠹s一年前，我們開始努力大幅提高我們的水晶質(zhì)量，并完成了這一步驟，現(xiàn)在提供我們認(rèn)為是市場上最高質(zhì)量的產(chǎn)品。我們需要不斷提高水晶的品質(zhì)；這是一項持續(xù)的努力，永遠(yuǎn)不會結(jié)束?！?/p>

Knight 說，高產(chǎn)量也很重要。產(chǎn)量越高，成本越低。并且“創(chuàng)新不止于設(shè)備；圍繞封裝和熱管理存在大量挑戰(zhàn)。整個生態(tài)系統(tǒng)必須繼續(xù)進(jìn)行創(chuàng)新?！?/p>

特斯拉等公司開發(fā)了先進(jìn)的電池、電機(jī)和控制技術(shù)，使高性能電動汽車 (EV) 一次充電可行駛 300 英里或更長。提高電動汽車效率的一種方法是在動力傳動系統(tǒng)中使用更高效的半導(dǎo)體開關(guān)，并增加電動輔助車輛系統(tǒng)的數(shù)量。然而，傳動系統(tǒng)中使用的電機(jī)控制電子設(shè)備被視為安全關(guān)鍵功能，因此設(shè)計人員必須使用經(jīng)過充分驗證的技術(shù)。

SiC 的低開關(guān)損耗、耐高溫能力和高開關(guān)頻率使其成為滿足最佳混合 EV/EV (xEV) 要求的理想選擇?！半S著越來越多的車隊轉(zhuǎn)向電動汽車，碳化硅的增長將繼續(xù)來自汽車等行業(yè)，并且您會看到 MOSFET 超過 IGBT 的增長。今天的大用戶是特斯拉，”奈特說。

為了演示 SiC 功率 MOSFET 和二極管在半橋配置中的連續(xù)運(yùn)行，Littelfuse 構(gòu)建了一個柵極驅(qū)動器評估平臺 (GDEV)。該平臺提供了一組明確定義的測試條件和快速連接功能，以評估和比較不同驅(qū)動板設(shè)計與不同驅(qū)動器 IC 的性能。它還具有完整的熱解決方案，允許功率設(shè)備在高電壓和高電流下連續(xù)運(yùn)行并提供實際功率。

柵極驅(qū)動器評估平臺（圖片來源：Littelfuse）

碳化硅技術(shù)正在大功率項目中得到應(yīng)用，例如電機(jī)、電力驅(qū)動器和逆變器或變頻器，例如動力系統(tǒng)逆變器和車載充電器 (OBC)。

Microchip Technology 的 Esparza 表示：“一些電機(jī)應(yīng)用在較低頻率下開關(guān)并沒有充分利用碳化硅的快速開關(guān)能力?！半妱悠囯姍C(jī)驅(qū)動應(yīng)用的目標(biāo)是碳化硅，以從更高的功率密度、更高的結(jié)溫和更小的整體設(shè)計中受益?！?/p>

Microchip 的 MSCSICPFC/REF5 是一款三相維也納功率因數(shù)校正 (PFC) 參考設(shè)計，適用于混合動力 EV/EV 充電器和高功率開關(guān)模式電源。該參考設(shè)計在 20 kW 輸出功率下實現(xiàn)了 98.5% 的效率，并且能夠以 30 kW 的功率運(yùn)行。

Esparza 說：“行業(yè)需要將他們的思維從基于硅的設(shè)計轉(zhuǎn)變?yōu)樘蓟杓夹g(shù)?！靶枰獙φ麄€拓?fù)洹⑾到y(tǒng)和材料清單進(jìn)行系統(tǒng)級方法和評估，以證明轉(zhuǎn)向碳化硅的合理性。所有行業(yè)都可以從 SiC 中受益，我們看到了各個行業(yè)的興趣和應(yīng)用：醫(yī)療、工業(yè)、汽車、計算、航空、國防、太空等?！?/p>

三相 Vienna 功率因數(shù)校正參考設(shè)計（圖片來源：Microchip）

其他寬帶隙材料

在某些應(yīng)用中，碳化硅并不是唯一一種被視為硅替代品的寬帶隙材料。氮化鎵 (GaN) 組件也正在改變電力電子領(lǐng)域，從大約 100 W 的電源開始。 GaN 技術(shù)也正在進(jìn)入 RF 放大器，這要?dú)w功于使其適用于轉(zhuǎn)換和電源系統(tǒng)的相同特性。

然而，唯一的寬帶隙 IV 族半導(dǎo)體材料是 SiC 和金剛石?！般@石顯然是一種寬帶隙材料，具有一些驚人的特性，”奈特說?！澳壳斑€沒有培育大型單晶金剛石的能力。它是在非常非常小的晶體中以非常非常低的產(chǎn)量完成的。但如果我想到一種最終會取代 SiC 的材料，那可能就是金剛石。這是一個全新的技術(shù)挑戰(zhàn)水平?！?/p>

我們正在經(jīng)歷社會如何使用電力的革命。與硅等傳統(tǒng)材料相比，寬帶隙材料能夠提高功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用的效率。SiC 與其 III-V 族對應(yīng)物 GaN 一起提供了能源方面的優(yōu)勢，使其成為電力電子開發(fā)的關(guān)注焦點。