碳化硅 (SiC) 是一種由硅和碳組成的半導體材料，用于制造用于高壓應用的功率器件，例如電動汽車 (EV)、電源、電機控制電路和逆變器。與傳統的硅基功率器件（例如 IGBT 和 MOSFET）相比，碳化硅具有多項優勢，這些器件憑借其成本效益和制造工藝的簡單性長期以來一直主導著市場。?

在電力電子應用中，固態器件需要能夠在高開關頻率下運行，同時提供低導通電阻、低開關損耗和出色的熱管理。在電子領域，設計人員面臨著幾個艱巨的挑戰，目的是最大限度地提高效率、減小尺寸、提高設備的可靠性和耐用性以及降低成本。與傳統的硅基技術相比，寬帶隙 (WBG) 材料（如 SiC）的使用可實現更高的開關速度和更高的擊穿電壓，從而實現更小、更快、更可靠和更高效的功率器件。在?圖 1 中，比較了硅和 SiC 的一些主要電氣特性。?

圖 1：SiC 和 Si 的一些相關特性的比較（來源：? IEEE）?

關于制造工藝，迄今為止最困難的挑戰之一是從 100 毫米（4 英寸）晶圓過渡到 150 毫米（6 英寸）晶圓。雖然晶圓尺寸的增加提供了顯著降低組件單位成本的優勢，但另一方面，它對消除缺陷和提高所交付半導體的可靠性提出了嚴峻的挑戰。?

市場帶來的挑戰主要涉及對適合滿足車輛電氣化和電池充電系統不斷增長的需求的電源解決方案的需求。汽車行業無疑是 SiC 生產商的主要努力集中的行業之一。制造下一代電動汽車需要一種能夠滿足高效率和可靠性、消除缺陷和降低成本等嚴格要求的技術。?

制造挑戰

盡管 SiC 的特性已經為人所知一段時間，但第一個 SiC 功率器件的生產相對較新，從 2000 年代初通過部署 100 毫米晶圓開始。幾年前，大多數制造商完成了向 150 毫米晶圓的過渡，而 200 毫米（8 英寸）晶圓的大規模生產將在未來幾年內投入運營。?

SiC 晶圓從 4 英寸到 6 英寸的過渡并非沒有問題，這與保持相同質量和相同產量的難度有關。碳化硅生產的主要挑戰涉及材料的特性。由于其硬度（幾乎類似于金剛石），碳化硅需要更高的溫度、更多的能量和更多的時間來進行晶體生長和加工。此外，使用最廣泛的晶體結構 (4H-SiC) 具有高透明度和高折射率的特點，因此很難檢查材料是否存在可能影響外延生長或最終組件產量的表面缺陷。?

SiC 襯底制造過程中可能出現的主要缺陷是晶體堆垛層錯、微管、凹坑、劃痕、污點和表面顆粒。這些因素可能會對 SiC 器件的性能產生不利影響，在 150 毫米晶圓上比在 100 毫米晶圓上更頻繁地檢測到。由于 SiC 是世界上第三硬的復合材料，而且非常脆弱，因此其生產帶來了與周期時間、成本和切割性能相關的復雜挑戰。?

可以安全地預測，即使切換到 200 毫米晶圓也會帶來重大問題。事實上，有必要保證基板的相同質量，但不可避免地會面臨更高的缺陷密度。?

電動汽車中的碳化硅

碳化硅器件的主要應用之一當然是汽車，尤其是電動汽車和插電式混合動力電動汽車 (PHEV) 的生產。下一代電動汽車需要能夠提高車輛效率（從而增加續航里程）和電池充電速度的電源設備。?

事實證明，碳化硅逆變器是滿足這些要求的關鍵解決方案。除了將輸入的直流電轉換為交流電之外，逆變器還根據驅動需要控制提供給電機的功率水平。隨著汽車電動巴士從 400 V 逐步遷移到 800 V，逆變器的作用變得更加重要。傳統逆變器在將能量從電池傳輸到電機方面提供了大約 97% 到 98% 的效率，而基于 SiC 的逆變器可以達到高達 99% 的效率。重要的是要強調一位或兩位小數的效率提高如何為整個車輛帶來非常顯著的優勢。硅基 IGBT 和 SiC 基 MOSFET 的開通開關損耗對比如圖 2所示?，證實與硅相比，碳化硅可以減少 76% 的損耗。?

圖 2：SiC MOSFET 和 Si IGBT 之間的損耗比較（來源：東芝）?

碳化硅逆變器非常適合這些類型的應用，因為它們能夠承受高電壓和高溫，并允許減小所有其他組件的尺寸。通過使用電壓為 800 V 的電池，所需的電流會降低，并且可以使用更小的電纜，從而降低成本和車輛重量，并簡化電氣系統的組裝階段。總的來說，這提高了 EV 或 PHEV 的續航里程和效率。通過使用 800V 電池，由于使用了基于 SiC 的大功率 DC/DC 轉換器，充電時間可以大大減少（與 400V 電池所需的時間相比，最多可縮短五分之一）。它們的高效率使充電過程中傳輸到電池的能量最大化成為可能，而功率損失可以忽略不計。?圖 3?展示了一些可以有效使用 SiC 功率器件的汽車領域，例如逆變器、轉換器和電池充電器。?

圖 3：碳化硅提高了電動汽車的效率。（來源：EE Times Europe）?

5G

碳化硅允許功率器件在更高的溫度、電壓和開關頻率下運行，使功率電子模塊比用硅等傳統半導體制造的功率電子模塊更強大、更節能。碳化硅的主要優勢可以總結如下：?

更高的開關頻率?

更高的工作溫度?

更高的效率?

更低的開關損耗?

高功率密度?

減小尺寸和重量?

更好的熱管理?

碳化硅的作用領域注定要擴大，包括所有需要比基于硅技術的傳統器件更高效率或更高功率密度的關鍵應用。盡管兩種技術之間存在成本差異，但在電信部門等多個電源應用中使用 SiC 有助于降低系統的總體成本。例如，這是由于取消了散熱器和冷卻系統，或者是由于無源設備的尺寸和成本降低了。?

SiC 最具挑戰性的應用無疑是 5G 移動技術，其速度比之前的 4G LTE 技術高出 20 倍。為了更快地運行，我們需要能夠處理更高功率密度、具有更好熱效率（避免危險的硬件系統過熱）并經過優化以實現高效率的設備。這些雄心勃勃的性能目標與 SiC 器件所提供的優勢完美匹配，例如功率 MOSFET 和肖特基二極管，能夠在數百伏的電壓和高于硅所能承受的溫度下工作。?

微電網

對能源的需求不斷增長和可再生能源的日益廣泛使用，使微電網在減少溫室氣體排放和減少化石燃料能源方面發揮著重要作用。然而，硅基固態逆變器和開關體積太大且效率低下，無法在微電網系統中使用。由于具有更高的擊穿電壓和開關頻率，諸如 SiC 之類的 WBG 半導體被提議作為構建高效可靠微電網的基本組件。?

由于來自非線性負載的非正弦電流，連接到網絡的大量電子設備會在能量分配系統中產生大量諧波。消除能量分配系統中諧波失真的傳統技術之一是基于使用適當的有源或無源濾波器。基于 SiC 的功率器件能夠在特別高的開關電壓和頻率下運行，可以將諧波補償功能直接集成到轉換器中，無需專用濾波器，從而降低設計的尺寸、復雜性和成本。?

　　審核編輯：湯梓紅