碳化硅是一種具有高功率和高溫特性的非常有效的材料。

碳化硅（SiC）半導(dǎo)體是創(chuàng)新的選擇，可以提高系統(tǒng)效率，支持更高的工作溫度并降低電力電子設(shè)計(jì)的成本。SiC是硅和碳的化合物，是同素異形的半導(dǎo)體材料。電流密度很容易達(dá)到5甚至10 A /mm2，放電電壓通常在SiC的100 V /μm范圍內(nèi)，而在硅上則為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)元件以及輕便，高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)的理想材料。

碳化硅組件的制造過(guò)程（圖片：GT Advanced Technologies）

由于SiC具有高導(dǎo)熱性，因此它比其他半導(dǎo)體材料更快地散發(fā)熱量。因此，SiC器件可以在極高的功率水平下運(yùn)行，并且仍然可以散發(fā)器件產(chǎn)生的大量多余熱量。

Microchip Technology離散與電源管理業(yè)務(wù)部門(mén)戰(zhàn)略市場(chǎng)經(jīng)理奧蘭多·埃斯帕薩（Orlando Esparza）表示：“ SiC的增長(zhǎng)率非常可觀，這將對(duì)SiC供應(yīng)商滿(mǎn)足快速的需求增長(zhǎng)帶來(lái)挑戰(zhàn)。”SiC功率器件不是商品，在性能，可靠性和耐用性方面存在真正的差異。考慮到不同供應(yīng)商的各種設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)和制造[情況]，成本最低的設(shè)備不太可能滿(mǎn)足關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用的高可靠性要求。設(shè)計(jì)人員需要確保在嚴(yán)格的條件下，在自己的工作臺(tái)和系統(tǒng)上仔細(xì)評(píng)估設(shè)備性能，可靠性和性能下降。”

SiC塊狀晶體：新的商業(yè)模式

強(qiáng)勁的市場(chǎng)需求和SiC產(chǎn)品的持續(xù)趨勢(shì)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(duì)大功率解決方案不斷增長(zhǎng)的需求。

從材料到成品（圖片來(lái)源：GT Advanced Technologies）

GT Advanced Technologies向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(chǎng)。GT的業(yè)務(wù)模式使該公司避免與現(xiàn)有企業(yè)和新競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手直接競(jìng)爭(zhēng)，而是使其更有效，更快速地?cái)U(kuò)展規(guī)模，從而提供高質(zhì)量的晶體并降低成本。

GT Advanced Technologies總裁兼首席執(zhí)行官格雷格·奈特（Greg Knight）表示：“我們的商業(yè)模式是出售晶體本身（散裝晶體）的一種形式，可以隨時(shí)進(jìn)行加工。”“我們種植晶體，將其研磨到指定的直徑，將其切成一定的形狀因子，這就是我們出售的產(chǎn)品。我們的客戶(hù)將這種[水晶]放入線(xiàn)鋸中，然后就走了。”

奈特說(shuō)：“您從碳化硅中學(xué)到的東西很快就到處都是，沒(méi)有簡(jiǎn)單的元素。”“種植晶體非常困難。一旦有了晶體，因?yàn)樗且环N非常堅(jiān)硬，易碎的單晶材料，所以沒(méi)有任何困難。我們專(zhuān)注于晶體生長(zhǎng)，我認(rèn)為目前這是材料價(jià)值鏈中最困難的一步。之所以困難，是因?yàn)檫@是一個(gè)完全盲目的過(guò)程。您看不到或無(wú)法直接衡量自己在做什么。您必須在盲目過(guò)程中擁有非常非常強(qiáng)大的過(guò)程控制。”

SiC和包裝

SiC提供的高性能使更小，更熱效率的封裝成為可能，盡管必須將它們?cè)O(shè)計(jì)成對(duì)稱(chēng)布局以最小化電路電感。碳化硅不能用作天然礦物。SiC摻雜是一個(gè)困難的過(guò)程，而生產(chǎn)具有更少缺陷的更大SiC晶片的挑戰(zhàn)使制造和加工成本居高不下。因此，從一開(kāi)始就必須提供良好的開(kāi)發(fā)過(guò)程。

“碳化硅不是無(wú)缺陷的；實(shí)際上，與硅相比，它是一種高度缺陷的材料。”奈特說(shuō)。“作為材料供應(yīng)商，提高質(zhì)量并繼續(xù)降低缺陷水平是我們的重任。”

他補(bǔ)充說(shuō)，GT Advanced Technologies“在很短的時(shí)間內(nèi)就在質(zhì)量上取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步”。“大約一年前，我們開(kāi)始大力改善水晶的質(zhì)量，并已完成這一步驟的更改，現(xiàn)在我們提供了我們認(rèn)為是市場(chǎng)上最高質(zhì)量的水晶。我們需要繼續(xù)提高晶體的質(zhì)量。這是一種持續(xù)的努力，永無(wú)止境。”

奈特說(shuō)，高產(chǎn)也很關(guān)鍵。產(chǎn)量越高，成本越低。而“創(chuàng)新不止于設(shè)備；而是創(chuàng)新不止于設(shè)備”。封裝和熱管理面臨著許多挑戰(zhàn)。創(chuàng)新必須在整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中繼續(xù)發(fā)生。”

特斯拉（Tesla）等公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)了先進(jìn)的電池，電動(dòng)機(jī)和控制技術(shù)，這些技術(shù)可以使高性能電動(dòng)汽車(chē)（EV）的充電續(xù)航里程達(dá)到300英里或更多。一種提高EV效率的方法是在傳動(dòng)系統(tǒng)中使用更高效的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)，同時(shí)增加電動(dòng)輔助車(chē)輛系統(tǒng)的數(shù)量。傳動(dòng)系統(tǒng)中使用的電機(jī)控制電子設(shè)備被視為對(duì)安全至關(guān)重要的功能，因此，設(shè)計(jì)人員必須使用經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的技術(shù)。

SiC的低開(kāi)關(guān)損耗，高溫能力和高開(kāi)關(guān)頻率使其非常適合滿(mǎn)足最佳混合EV / EV（xEV）要求。“隨著越來(lái)越多的車(chē)隊(duì)轉(zhuǎn)向電動(dòng)汽車(chē)，碳化硅的增長(zhǎng)將繼續(xù)來(lái)自汽車(chē)等行業(yè)，并且您會(huì)看到MOSFET的增長(zhǎng)超過(guò)了IGBT。如今最大的用戶(hù)是特斯拉，”奈特說(shuō)。

為了證明SiC功率MOSFET和二極管在半橋配置下的連續(xù)運(yùn)行，Littelfuse建立了柵極驅(qū)動(dòng)器評(píng)估平臺(tái)（GDEV）。該平臺(tái)提供了一組定義明確的測(cè)試條件和快速連接功能，以評(píng)估和比較具有不同驅(qū)動(dòng)器IC的不同驅(qū)動(dòng)板設(shè)計(jì)的性能。它還具有完整的散熱解決方案，允許功率器件在高電壓和高電流下連續(xù)運(yùn)行，并提供有功功率。

門(mén)驅(qū)動(dòng)器評(píng)估平臺(tái)（圖片：Littelfuse）

SiC技術(shù)正在更高功率的項(xiàng)目中找到應(yīng)用，例如電動(dòng)機(jī)，電驅(qū)動(dòng)器和逆變器或變頻器，例如動(dòng)力總成逆變器和車(chē)載充電器（OBC）。

Microchip Technology的Esparza表示：“某些在較低頻率下切換的電機(jī)應(yīng)用并未充分利用碳化硅的快速切換功能。”“電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)器的目標(biāo)是碳化硅，以受益于更高的功率密度，更高的結(jié)溫和更小的整體設(shè)計(jì)。”

Microchip的MSCSICPFC / REF5是適用于混合EV / EV充電器和大功率開(kāi)關(guān)模式電源的三相維也納功率因數(shù)校正（PFC）參考設(shè)計(jì)。該參考設(shè)計(jì)在20 kW輸出功率下達(dá)到98.5％的效率，并且能夠以30 kW的功率運(yùn)行。

Esparza說(shuō)：“行業(yè)需要將他們的思維從基于硅的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變?yōu)樘蓟杓夹g(shù)。”“需要對(duì)整個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，系統(tǒng)和材料清單進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)的評(píng)估和評(píng)估，以證明向碳化硅過(guò)渡的合理性。所有行業(yè)都可以從SiC中受益，我們看到了各個(gè)行業(yè)的興趣和應(yīng)用：醫(yī)療，工業(yè)，汽車(chē)，計(jì)算機(jī)，航空，國(guó)防，太空等。”

三相維也納功率因數(shù)校正參考設(shè)計(jì)（圖片：Microchip）

其他寬帶隙材料

SiC并不是唯一一種在某些應(yīng)用中可以替代硅的寬帶隙材料。從大約100 W的電源開(kāi)始，氮化鎵（GaN）組件也正在改變電力電子領(lǐng)域。由于其適用于轉(zhuǎn)換和電源系統(tǒng)的相同功能，GaN技術(shù)也正在進(jìn)入RF放大器。

但是，唯一的寬帶隙第IV組半導(dǎo)體材料是SiC和金剛石。奈特說(shuō)：“金剛石顯然是一種寬帶隙材料，具有一些驚人的性能。”“尚不具備生長(zhǎng)大型單晶鉆石的能力。它是在非常非常小的晶體中以非常非常低的產(chǎn)率完成的。但是，如果我想到一種最終會(huì)取代SiC的材料，也許就是金剛石。這是一個(gè)全新的技術(shù)挑戰(zhàn)。”

我們正在經(jīng)歷社會(huì)如何使用電力的革命。與傳統(tǒng)材料（例如硅）相比，寬帶隙材料能夠提高功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用的效率。SiC及其III–V組對(duì)應(yīng)物GaN在能源方面具有優(yōu)勢(shì)，這使其成為功率電子學(xué)開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)。

編輯：hfy