【導讀】SiC 等寬禁帶 (WBG) 器件對于當今汽車和可再生能源等應用至關重要。隨著我們的世界逐漸轉向使用可持續能源（主要是電力），能效比以往任何時候都更重要。提高開關模式能效的方法之一是降低銅損和開關損耗。然而，為了應對這一挑戰，直流母線電壓不斷上升，半導體技術必須發展以跟上步伐。這些技術對企業實現碳減排承諾至關重要。在本文中，安森美(onsemi)將探討下一代 SiC 器件如何演進以應對最新應用的挑戰，本文還將闡釋穩健的端到端供應鏈對于確保持續成功的重要性。
在眾多應用領域，有諸多不同因素正在推動技術加速發展。以工業和汽車這兩個最重要的市場為例，主導的關鍵趨勢是提高能效、縮小外形和利用圖像傳感提升感知能力。
在工業領域，MOSFET 和功率模塊的進步正被用于優化各種工業系統的能效和系統成本。有兩個領域特別受益，即電動汽車充電基礎設施和替代/可再生能源應用（如太陽能）。
成本和性能是許多工業應用共同的主線。設計人員要解決的挑戰是，在不增加尺寸的情況下讓太陽能逆變器輸送更多電力，或者降低與儲能相關的散熱成本。降低充電成本是普及電動乘用車的重要途徑。然而，至關重要的是，要通過壁掛式直流充電樁或直流快速充電，實現更快的充電能力，而不需要額外的散熱。
在汽車領域，能效與車輛的行駛里程以及車載電子設備的尺寸、重量和成本密切相關。在電動汽車/混合動力汽車中，與部署 IGBT 功率模塊相比，部署 SiC 方案可帶來顯著的性能提升。同時，車用 CPU、LED 照明和車身電子設備也能從更好的電源管理中獲益。
主驅逆變器是一個關鍵點，它會影響車輛的整體能效，因而限定了行駛里程。根據行駛場景，輕型乘用車大部分時間是在輕載工況下行駛，因此相比 IGBT 方案，SiC 提高能效的優勢顯而易見。此外，車載充電器 (OBC) 尺寸需要盡可能小。只有支持高開關頻率的寬禁帶器件才能實現更小的外形尺寸。節省的每一盎司能量都能增加車輛的總行駛里程，從而減輕里程焦慮。
SiC 技術用于當今應用中的優勢
汽車和工業應用中的所有電源轉換都依賴基于半導體的開關器件和二極管去實現高能效和降低轉換損耗。因此，半導體行業一直在努力提高電源應用中使用的硅基半導體器件的性能，特別是 IGBT、MOSFET 和二極管。加之電源轉換拓撲結構的創新，可實現前所未有的性能。
圖 1：多種應用需要充分利用SiC 技術的優勢
無論是用于汽車主驅、太陽能逆變器抑或電動汽車充電器，基于 SiC 的 MOSFET 和二極管產品都能提供比現有硅基 IGBT 和整流器更好的性能和更低的系統級成本。SiC 的寬帶隙特性支持比硅更高的臨界場，因此可實現更高的阻斷電壓能力，例如 1700 V 和 2000 V。而且，SiC 的電子遷移率和飽和速度本質上就高于 Si 器件，因此能夠在顯著更高的頻率和結溫下工作，這兩點都是非常有優勢的。此外，基于 SiC 的器件開關損耗相對更低，頻率更高，，這有助于減小相關無源元件（包括磁性元件和電容）的尺寸、重量和成本。
圖 2：SiC 等寬禁帶材料給電源系統帶來多方面好處
由于導通損耗和開關損耗顯著降低，基于 SiC 的電源方案產生的熱量更少。另外，SiC 器件能夠在高達 175°C 的結溫 (Tj) 下工作，這意味著對風扇和散熱器等散熱措施的需求顯著減少，系統尺寸、重量和成本得以節省，并且即使在具有挑戰性、空間受限的應用中也能確保更高的可靠性。
對更高電壓器件的需求
SiC 的寬帶隙特性支持比硅更高的臨界場，因此可實現更高的阻斷電壓能力，例如 1700 V 和 2000 V。對于給定的功率，提高電壓會降低總電流需求，從而降低總銅損。在太陽能光伏 (PV) 系統等可再生能源應用中，來自 PV 板的直流母線電壓已從 600 V 提高到 1500 V 以提升能效。類似地，輕型乘用車正從 400 V 母線過渡到 800 V 母線（某些情況下為 1000 V 母線），以提高能效并縮短充電時間。過去，對于 400 V 母線電壓，所用器件的額定電壓為 750 V，但現在需要更高的額定電壓，例如 1200 V，甚至 1700 V，以確保器件在這些應用中可靠地工作。
最新技術
為了滿足更高擊穿電壓的需求，安森美開發了一系列 1700 V M1 平面 EliteSiC MOSFET 器件，針對快速開關應用進行了優化。NTH4L028N170M1 是這首批器件中的一款，其 VDSS 為 1700 V，并且具有更高的 VGS 為-15/+25 V 。該器件的 RDS(ON) 典型值超低僅 28 mW。
新型 1700 V MOSFET 可以在高達 175°C 的結溫 (Tj) 下工作，相關的散熱器尺寸可以大幅減小，甚至完全無需散熱器。NTH4L028N170M1 的第四個引腳上有一個開爾文源極連接（TO-247-4L 封裝），這可以降低導通功耗和柵極噪聲。還有一種 D2PAK–7L 配置，它能進一步減小 NTBG028N170M1 等器件中的封裝寄生效應。
圖 3：安森美的新型 1700 V EliteSiC MOSFET
安森美即將推出采用 TO-247-3L 和 D2PAK-7L 封裝的 1700 V 1000 mW SiC MOSFET，適用于電動汽車充電和可再生能源應用中的高可靠性輔助電源單元。
除 MOSFET 之外，安森美還開發了一系列 1700 V SiC 肖特基二極管。具有該額定值的 D1 系列器件可在二極管的 反向峰值電壓(VRRM) 和反向重復峰值電壓之間提供更大的電壓裕量。特別是，新器件即使在高溫下也能提供更低的 正向峰值電壓(VFM)、最大正向電壓和出色的反向漏電流，使設計人員能夠實現在高溫高壓下穩定運行的設計。
圖 4：安森美的新型 1700 V 肖特基二極管
新器件（NDSH25170A 和 NDSH10170A）可以 TO-247-2L 封裝和裸片兩種形式供貨，還有一種無封裝的 100 A 版本。
供應鏈考量
在某些行業，供應鏈受到組件供應的牽制，因此在選擇新器件和技術時，考慮供應能力非常重要。為了確保對客戶的供應穩妥可靠以支持快速增長，安森美最近收購了GT Advanced Technologies (GTAT)。此舉不僅鞏固了供應鏈，還能使安森美利用 GTAT 的技術經驗。
目前，安森美是為數不多的具有端到端SiC供貨能力的大規模供應商，包括批量SiC晶錠生長、襯底、外延、器件制造、出色的集成模塊和分立封裝方案。
為支持未來幾年SiC的預期增長，安森美計劃在2023年前將襯底產能增加5倍，并大力投資將器件及模塊產能增加一倍，隨后，到2024年，產能將再次翻倍，并有能力在未來再次將產能翻倍。
總結
借助 SiC 的性能，設計人員將能滿足當今具挑戰的應用需求，包括汽車、可再生能源和工業應用的需求，尤其是功率密度和散熱方面。
SiC 技術在逐漸成熟，關鍵應用領域在不斷發展和進步，因此 SiC 也必須同步發展以滿足日益增長的需求。例如，對更高擊穿電壓的需求，安森美推出了新的 1700 V SiC MOSFET 和二極管滿足了這一需求。此外，安森美目前正在開發 2000 V SiC MOSFET 技術，以支持太陽能、固態變壓器和電子斷路器等新興應用。
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