点击蓝字 关注我们
文章来源：Power Electronics News
在相当长的一段时间内，硅一直是世界各地电力电子转换器所用器件的首选半导体材料，但 1891 年碳化硅 (SiC) 的出现带来了一种替代材料，它能减轻对硅的依赖。SiC 是宽禁带 (WBG) 半导体：将电子激发到导带所需的能量更高，并且这种宽禁带具备优于标准硅基器件的多种优势。
安森美(onsemi)的 1700-V EliteSiC MOSFET (NTH4L028N170M1) 提供更高击穿电压 (BV) SiC 方案，满足大功率工业应用的需求。使用两个 1700-V 雪崩额定值的 EliteSiC 肖特基二极管（NDSH25170A、NDSH10170A），设计人员便可实现高温高压下的稳定运行，同时提供 SiC 带来的高效率。
Ajay Reddy Sattu
安森美工业电源方案产品营销总监
据 Sattu 说，最先是在能源基础设施中，双向供电将大规模储能系统与商业或电站规模的太阳能逆变器连接起来。
从表 1 对混合 IGBT 方案和全 SiC 方案的比较可以明显看出，在相同条件下，全 SiC 方案的总损耗低得多，因此效率更高。Sattu 表示：“采用全 SiC 模块时，开关频率可以提高到 40 kHz 或更高，从而使升压电感可低至 200 µH，成本和重量得以降低。”
图1. 太阳能电池板应用
表1. 混合 IGBT 方案和全 SiC 方案的比较
第二个重点关注领域是电动汽车充电器 (EVC)。据 Sattu 说，根据电压输入和功率水平，当今的电动汽车充电器主要分为三级。
图2. 电动汽车充电站框图
随着越来越多的设计人员正在或已经将 SiC 用于其设计中，对于 SiC 的质量、可靠性和供应情况是否长期有保障出现了一些担忧。随着 SiC MOSFET 的商用化和发展，栅极氧化层的可靠性也有了显著提高。
栅极氧化层和保护其免受高电场影响的方法仍然是器件开发的一个关键焦点领域。改进筛选测试以剔除随时间推移可能有参数漂移的芯片也很重要。
在加工过程中，栅极氧化层缺陷密度必须保持在最低水平，以使 SiC MOSFET 像 Si MOSFET 一样可靠。还必须开发创新的筛选方法，例如在最终电气测试中发现并消除可能的较弱器件。
Sattu 说：“安森美从两个方面考虑栅极氧化层的可靠性：本征和外部。首先，我们的EliteSiC 工艺流程经过了强化，在各个工序中加入了筛选措施，以筛选出由工艺可能引起的失效模式。其次，我们还实施晶圆级或封装级老化方法来消除早期失效。此外，作为本征可靠性研究的一部分，我们根据时间相关的介质击穿特性分析来评估 EliteSiC MOSFET 技术，确保器件在应用曲线所要求的范围之外也能正常运行。显然，氧化层厚度和沟道迁移率之间的权衡取舍限制了所使用的氧化层厚度和应用中施加的 VGS [15 V 或 18 V]，影响了长期可靠性。”
图 3 比较了不同 VGS 下的寿命性能，它比实际应用所采用的电压要高得多。据 Sattu 说，很明显，我们采用远超工业和汽车行业要求的测试条件进行了测试，并成功得到了不同工况下所对应的失效等级。
图3. VGS 与寿命性能的关系
VGS 远高于实际应用中使用的电压
宽禁带半导体潜力很大，但设计人员需要意识到使用这些材料带来的困难。以更高的开关频率和更大的功率密度工作，可以实现无源元件（电感和电容）的尺寸减小，创建更轻更小的系统。然而，预测这些较小的无源元件在较高频率下工作时的行为可能具有挑战性，并且可能会出现热量管理问题。宽禁带半导体的工作温度比硅基器件支持的温度高，因此需要精心设计。在整个设计阶段都要考虑更大的热应力，这可能会对系统的可靠性产生不利影响。再现或仿真让电子器件承受极端热应力的恶劣工作环境，是电子设计人员面临的主要问题之一。
热管理的目标是有效地从芯片和封装中散热。据 Sattu 说，有以下几种途径。
图4. 热性能
随着太阳能系统母线电压达到 1100 V 至 1500 V，可再生能源应用正稳步推进到更高的电压。客户要求击穿电压更高的 MOSFET 来支持这种改进。新型 1700-V EliteSiC MOSFET 的最大 VGS 范围为 -15 V/25 V，适合栅极电压上升至 -10 V 的快速开关应用，可提高系统的可靠性。
除了太阳能和电动汽车充电器之外，基于 SiC 的器件在其他几个应用领域也有显著优势，尤其是额定电压 650 V 的器件。
图5. 数据中心设计
对于电动汽车和可再生能源系统，电源管理方案必须能够改善性能、节约成本并缩短开发时间。SiC 堆叠方法能够提高性能和降低价格，目前对于电动汽车、商业运输、可再生能源和存储系统的设计人员非常有利。
SiC 器件广泛应用于汽车行业，尤其是电动汽车和插电式混合动力汽车的制造。下一代电动汽车的动力系统必须能够提升车辆的效率（从而增加行驶里程）和电池充电速度。
SiC 逆变器被证明是解决这些问题的关键器件。基于 SiC 的逆变器可以实现高达 99% 的效率，而标准逆变器将能量从电池传输到电机的效率为 97% 至 98%。值得注意的是，小数点后一位或两位的效率提升能对整车产生巨大的积极影响。
由于能源需求的增加和可再生能源使用的扩大，微电网在减少温室气体排放和对化石燃料的依赖方面变得更加重要。然而，微电网系统不能采用硅基固态逆变器和开关，因为它们体积太大且效率低下。SiC 等宽禁带半导体具有更高的击穿电压和开关频率，是开发高效可靠微电网的关键因素。
由于来自非线性负载的非正弦电流，连接到网络的大量电子设备会在能量分配系统中产生大量谐波。采用合适的有源或无源滤波器是消除能量分配系统中的谐波失真的经典方法之一。通过将谐波补偿功能直接集成到转换器中，无需特殊滤波器，基于 SiC 的功率器件能够在非常高的开关电压和频率下工作，从而减小设计的尺寸、复杂度和成本。
虽然 SiC 的特性已经为人所知有一段时间了，但第一批 SiC 功率器件是最近才生产出来的，始于 21 世纪初，使用的是 100 mm 晶圆。几年前，大多数制造商转向 150 mm 晶圆，最近又转向大规模生产 200 mm（8 英寸）晶圆。
由于面临保持相同质量和良率的挑战，SiC 晶圆从 4 英寸到 6 英寸的转变并不顺利。材料的特性是 SiC 制造中最大的问题。由于硬度极高（几乎接近钻石），SiC 的晶体形成和加工需要更长的时间、更多的能量和更高的温度。此外，最常见的晶体结构 (4H-SiC) 具有高透明度和高折射率，因此难以分析材料有无可能影响外延生长或最终元件良率的表面缺陷。
结晶堆垛层错、表面颗粒、微管、凹坑、划痕和污渍是制造 SiC 基板时可能出现的主要缺陷。这些变数可能对 SiC 器件的性能产生负面影响；相比于 100 mm 晶圆，它们在 150 mm 晶圆上出现的频率更高。SiC 是世界上第三硬的复合材料，而且非常易碎，因此其制造存在周期时间、成本和切割性能方面的困难。向 200-mm SiC 晶圆的转变将使汽车和工业市场受益匪浅，因为它能加快这些市场的系统和产品的电气化进程。随着产量的提高，这对促进规模经济至关重要。
⭐点个星标，茫茫人海也能一眼看到我⭐
