過去幾年來，碳化硅（SiC）型功率半導(dǎo)體解決方案的使用情形大幅成長，成為各界仰賴的革命性發(fā)展。SiC這項(xiàng)全新的寬帶隙技術(shù)，不僅是向前邁進(jìn)的革命性發(fā)展（例如過去幾年來每一代新型的硅功率裝置），也具有真正改變局勢的能力。

　　過去幾年來，碳化硅（SiC）型功率半導(dǎo)體解決方案的使用情形大幅成長，成為各界仰賴的革命性發(fā)展。推動此項(xiàng)市場發(fā)展的力量包括下列趨勢：節(jié)能、縮減體積、系統(tǒng)整合及提升可靠性。

　　IGBT搭配SiC二極管　寬帶隙技術(shù)改變局勢

　　SiC裝置定位能夠充分因應(yīng)上述市場挑戰(zhàn)。這項(xiàng)全新的寬帶隙技術(shù)，不僅是向前邁進(jìn)的革命性發(fā)展（例如過去幾年來每一代新型的硅功率裝置），也具有真正改變局勢的能力。碳化硅型系統(tǒng)的革命性能力在于大幅提升效能，對于關(guān)注創(chuàng)新及劃時代解決方案的設(shè)計人員而言，相當(dāng)具有吸引力。IGBT或超接面MOSFET結(jié)合SiC二極管，已經(jīng)成為多種應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)配備，例如太陽能、充電器或電源供應(yīng)。

　　這類組合是以快速的硅基開關(guān)搭配SiC二極管，通常稱為「混合式」解決方案。

　　近年來英飛凌已經(jīng)制造數(shù)百萬個混合式模塊，安裝于各種不同的客戶產(chǎn)品。

　　全球第一個混合式模塊是在十多年前開發(fā)，以英飛凌EconoPACK封裝平臺為基礎(chǔ)（圖1）。特定應(yīng)用部門是英飛凌任何新技術(shù)的初期采用者。視實(shí)際系統(tǒng)價值而定，如果新技術(shù)成本/效能的吸引力，足以改用更高技術(shù)的新型解決方案，其他應(yīng)用就會跟進(jìn)。英飛凌將深獲肯定的SiC二極管設(shè)計，應(yīng)用于高階電源供應(yīng)器之后，發(fā)現(xiàn)太陽能變頻器及升壓電路是其中最可能受益于此項(xiàng)新技術(shù)的部分。
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　　圖1　全球第一個混合式模塊解決方案，自2006年起生產(chǎn)。

　　除此之外，不斷電系統(tǒng)（UPS）及充電器等領(lǐng)域也可能跟進(jìn)。像是馬達(dá)驅(qū)動器、牽引設(shè)備，以及長期展望的汽車應(yīng)用等傳統(tǒng)部門，預(yù)計都將非常有興趣大規(guī)模改采新型半導(dǎo)體技術(shù)。

　　以往，能源效率是設(shè)計及營銷的關(guān)鍵，也使太陽能變頻器邁向成功。例如升壓電路使用的SiC二極管，是達(dá)到98%以上效率的最佳解決方案。

　　目前太陽能設(shè)計的主要趨勢，是基于減少切換損耗的方式來提升功率密度，實(shí)現(xiàn)體積更小的散熱器，此外也允許使用更高的作業(yè)頻率，藉以縮小磁鐵尺寸。 SiC二極管在現(xiàn)代太陽能變頻器及微變頻器應(yīng)用方面，正逐漸成為主要組件。最近英飛凌SiC二極管技術(shù)邁入第五代。SiC二極管則更進(jìn)一步采用縮小晶粒的方式，達(dá)到更具吸引力的成本定位。

　　此外，新技術(shù)功能實(shí)作之后，將較前代技術(shù)提供更多的客戶利益，例如降低正向電壓降，使導(dǎo)通損耗減少，以及提升突波電流功能，并改善崩潰行為。混合式解決方案是現(xiàn)今全球太陽能變頻器的標(biāo)準(zhǔn)作法。英飛凌已經(jīng)提供此類技術(shù)15年以上，以深獲肯定的紀(jì)錄及可靠的大量生產(chǎn)，成為此項(xiàng)技術(shù)值得信賴的合作伙伴。

　　英飛凌采用整合式的制造概念，SiC芯片的生產(chǎn)線與大量的硅功率芯片相同，藉此保證達(dá)到與硅產(chǎn)品同等的可靠性及制程穩(wěn)定性。此外，這項(xiàng)整合式概念也在產(chǎn)能方面也有所彈性，這項(xiàng)關(guān)鍵因素有助于在快速變遷的市場上推動新興技術(shù)普及。

　　依據(jù)對系統(tǒng)的深入了解，并明確著重在提升成本效能，可在硅半導(dǎo)體及碳化硅半導(dǎo)體之間形成最佳組合，成功定義產(chǎn)品。

　　磁鐵組件尺寸大幅縮減　SiC成功在望

　　這項(xiàng)作法不再以純半導(dǎo)體技術(shù)推動產(chǎn)品定義，而是針對目標(biāo)系統(tǒng)量身打造的解決方案，此一發(fā)展方向是SiC成功在望的關(guān)鍵要素。從二極管技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)看來，SiC晶體管未來幾年將以類似方式推出。這是重要的下一步，讓SiC更能與主流技術(shù)并駕齊驅(qū)。如上所述，關(guān)鍵要素為：

　　．深獲肯定的堅(jiān)固程度

　　．具吸引力的成本/效能，實(shí)現(xiàn)可評測的系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

　?。罅可a(chǎn)能力

　?。罁?jù)對系統(tǒng)的了解來推動產(chǎn)品定義

　　多年來進(jìn)行豐富深入的研究，主要是為了了解SiC的系統(tǒng)利益。使用單極SiC晶體管的轉(zhuǎn)換器提升切換頻率，可大幅縮減磁鐵組件的體積和重量。依據(jù)英飛凌的分析，建構(gòu)于SiC裝置的轉(zhuǎn)換器相較于現(xiàn)有的硅基參考解決方案，尺寸僅為三分之一，重量則只有25%。由于體積及重量大幅縮減，系統(tǒng)成本也可降低20%以上。

　　未來幾年碳化硅解決方案將擴(kuò)展進(jìn)入其他應(yīng)用領(lǐng)域，例如工業(yè)或牽引裝置。這是因?yàn)槭袌隽α看偈箵p耗降低，不僅為了提升效率，也是為了縮小封裝體積（由減少散熱器需求所促成）。如圖2所示，SiC已經(jīng)用于各種高階及利基解決方案。現(xiàn)今的設(shè)計也發(fā)揮上述效益，在特定應(yīng)用領(lǐng)域降低系統(tǒng)成本。

　　圖2　SiC的優(yōu)點(diǎn)取決于使用場所及相關(guān)應(yīng)用

　　未來實(shí)作碳化硅解決方案后，會有更多應(yīng)用受益于整體的損耗降低。在此方面，下一項(xiàng)重要步驟就是采用SiC開關(guān)。

　　崩潰場強(qiáng)度超出10倍　碳化硅多項(xiàng)特性勝出

　　為了了解硅和碳化硅解決方案之間的差異，必須明確指出：碳化硅裝置屬于所謂的寬帶隙半導(dǎo)體。硅與SiC材料特性比較如圖3所示。快速以及單極的肖特基二極管與場效式碳化硅開關(guān)（MOSFET、JFET）的電壓范圍，可延伸超過1000V，原因是SiC材料本身的特性：

　　圖3　硅與碳化硅的材料特性比較

　?。唠妷盒ぬ鼗O管達(dá)成低漏電流的原因，是金屬半導(dǎo)體阻障比硅肖特基二極管高兩倍。

　?。噍^于硅，單極晶體顯得極有吸引力，其具有特定導(dǎo)通電阻，原因是崩潰場強(qiáng)度超出約10倍。

　　圖4顯示不同半導(dǎo)體的最低特定導(dǎo)通電阻，與所需阻斷電壓的比較（這里僅使用漂移區(qū)，基板對電阻的任何影響均忽略不計）。每條線的端點(diǎn)象征特定半導(dǎo)體在單極組態(tài)的可用電壓范圍，不含超接面MOSFET。

　　圖4　比較碳化硅與硅的導(dǎo)通電組及阻斷電壓

　　SiC晶體管將成為吸引人的替代方案，取代工業(yè)功率電子領(lǐng)域現(xiàn)有的IGBT技術(shù)。

　　SiC獨(dú)有的材料特性，可設(shè)計無少數(shù)載子的單極裝置，取代高阻斷電壓的電荷調(diào)變IGBT裝置。這項(xiàng)效能主要基于寬帶隙提供的高臨界場。

　　IGBT的損耗限制，由少數(shù)載子的動力所造成。而這類少數(shù)載子將在MOSFET之中遭到消除。例如SiC MOSFET已測得100kV/μs以上的超高dv/dt斜率。一開始時，相較于1，200V以上的IGBT，SiC晶體的出色動態(tài)效能是最重要的優(yōu)勢。不過，最近結(jié)果顯示IGBT技術(shù)具有龐大潛能，如英飛凌TRENCHSTOP 5技術(shù)所示。