保障下一代碳化硅 (SiC) 器件的供需平衡
2023-09-15 13:26:05 安森美在工業、汽車和可再生能源應用中，基于寬禁帶 (WBG) 技術的組件，比如 SiC，對提高能效至關重要。在本文中，安森美 (onsemi) 思考下一代 SiC 器件將如何發展，從而實現更高的能效和更小的尺寸，并討論對于轉用 SiC 技術的公司而言，建立穩健的供應鏈為何至關重要。
在廣泛的工業系統（如電動汽車充電基礎設施）和可再生能源系統（如太陽能光伏 (PV)）應用中，MOSFET 技術、分立式封裝和功率模塊的進步有助于提高能效并降低成本。然而，平衡成本和性能對于設計人員來說是一項持續的挑戰，必須在不增加太陽能逆變器的尺寸或散熱成本的情況下，實現更高的功率。實現這一平衡非常有必要，因為降低充電成本將是提高電動汽車普及率的關鍵推動因素。
汽車的能效與車載電子器件的尺寸、重量和成本息息相關，這些都會影響車輛的行駛里程。在電動/混動汽車中使用 SiC 取代 IGBT 功率模塊可顯著改進性能，尤其是在主驅逆變器中，因為這有助于顯著提高車輛的整體能效。輕型乘用車主要在低負載條件下工作，在低負載下，SiC 的能效優勢比 IGBT 更加明顯。車載充電器 (OBC) 的尺寸和重量也會影響車輛行駛里程。因此，OBC 必須設計得盡可能小，而 WBG 器件具有較高的開關頻率，在這方面發揮著至關重要的作用。
SiC 技術的優勢
為了最大限度減少電源轉換損耗，需要使用具有出色品質因數的半導體功率開關。電源應用中使用的硅基半導體器件（IGBT、MOSFET 和二極管）的性能改進，加上電源轉換拓撲方面的創新，使能效大幅提升。然而，由于硅基半導體器件已接近其理論極限，在新應用中它們正逐漸被 SiC 和氮化鎵 (GaN) 等寬禁帶 (WBG) 半導體取代。
圖 1：多種應用可從 SiC 器件的特性中受益
對更高性能、更大功率密度和更優性能的需求不斷挑戰著 SiC 的極限。得益于寬禁帶特性，SiC 能夠承受比硅更高的電壓（1700V 至 2000V）。同時，SiC 本身還具有更高的電子遷移率和飽和速度。因此，它能夠在明顯更高的頻率和結溫下工作，對電源應用而言非常理想。此外，SiC 器件的開關損耗相對更低，這有助于降低無源組件的尺寸、重量和成本。
圖 2：SiC 為電源系統帶來諸多優勢
SiC 器件的導通損耗和開關損耗更低，因此降低了對散熱的要求。再加上它能夠在高達 175°C 的結溫 (Tj) 下工作，因而對風扇和散熱片等散熱措施的需求減少。系統尺寸、重量和成本也得以減小，并且在空間受限的應用中也能保障更高的可靠性。
需要更高電壓
通過增加電壓以減少電流，可減少在所需功率下的損耗。因此，在過去幾年里，來自 PV 板的直流母線電壓已從 600 V 提高到 1500 V。同樣地，輕型乘用車中的 400 V 直流母線可提升到 800 V 母線（有時可提高到 1000 V）。過去，對于 400 V 母線電壓，所用器件的額定電壓為 750 V。現在，需要具有更高額定電壓（1200 V 至 1700 V）的器件，以確保這些應用能夠安全、可靠地工作。
SiC 的最新進展
為了滿足對具有更高擊穿電壓的器件的需求，安森美開發了 1700V M1 平面 EliteSiC MOSFET 系列產品，針對快速開關應用進行了優化。NTH4L028N170M1 是該系列首批器件中的一款，其 VDSS 為 1700 V，具有更高的 VGS，為 -15/+25 V，并且其 RDS(ON) 典型值僅 28 mW。
這些 1700 V MOSFET 可在高達 175°C 的結溫 (Tj) 下工作，因而能夠與更小的散熱片結合使用，或者有時甚至不需要使用散熱片。此外，NTH4L028N170M1 的第四個引腳上有一個開爾文源極連接（TO-247-4L 封裝），用于降低導通功耗和柵極噪聲。這些開關還提供 D2PAK–7L 封裝，具有更低的封裝寄生效應。
圖 3：安森美的新型 1700 V EliteSiC MOSFET
采用 TO-247-3L 和 D2PAK-7L 封裝的 1700 V 1000 mWSiC MOSFET 也已投產，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。
安森美開發了 D1 系列 1700 V SiC 肖特基二極管。1700 V 的額定電壓可在 VRRM 和反向重復峰值電壓之間為器件提供更大的電壓裕量。該系列器件具有更低的 VFM（最大正向電壓）和出色的反向漏電流，有助于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
NDSH25170A 和 NDSH10170A 器件以 TO-247-2 封裝和裸片兩種形式供貨，還提供 100A 版本（無封裝）。
供應鏈考量
由于可用組件短缺，一些電子行業領域的生產已受到影響。因此，在選擇新技術產品的供應商時，務必考慮供應商按時履行訂單的能力。為保障向客戶的產品供應，安森美最近收購了 GT Advanced Technology (GTAT)，以利用 GTAT 在物流方面的專長和經驗。安森美是目前為數不多具有端到端能力的大型 SiC 供應商，包括晶錠批量生長、襯底制備、外延、器件制造、集成模塊和分立式封裝解決方案。為了滿足 SiC 應用的預期增長需求，安森美計劃在 2024 年之前將襯底業務的產能提高數倍，并擴大公司的器件和模塊產能，在未來實現進一步擴張。
總結
在不斷發展的汽車、可再生能源和工業應用中，工程師將能夠借助 SiC 器件的特性，解決功率密度和散熱方面的諸多挑戰。憑借 1700V 系列 SiC MOSFET 和二極管，安森美滿足了市場對具有更高擊穿電壓的器件的需求。此外，安森美還為新興的太陽能、固態變壓器和固態斷路器應用開發了 2000V SiC MOSFET 技術。
