碳化硅技术在电源逆变器上的应用！

碳化硅(SiC)是化合物半导体材料之一，具有独特的材料性能。例如，它具有高电击穿强度(硅的十倍)和导热性(硅的三倍)。这些特性吸引了研究人员和工程师的更多关注。SiC最有前途的应用之一是用于电子产品的功率器件。虽然硅基功率器件目前主导着市场，但这些器件的击穿电压有限。另一方面，由于SiC的电击穿强度，SiC功率器件允许高效功率转换而不会击穿。SiC功率器件在汽车、火车和航空航天等需要在高压和高温下工作的市场中的潜在增长预计将是巨大的。

碳化硅(SiC)是一种由硅和碳组成的半导体材料，用于制造用于高压应用的功率器件，例如电动汽车(EV)、电源、电机控制威廉希尔官方网站 和逆变器。与传统的硅基功率器件(如IGBT和MOSFET)相比，SiC具有多种优势，后者凭借其成本效益和制造工艺的简单性长期主导市场。

在电力电子应用中，固态器件需要在高开关频率下工作，同时提供低导通电阻、低开关损耗和出色的热管理。在电子领域，设计人员面临着一些严峻的挑战，目的是最大限度地提高效率、减小尺寸、提高设备的可靠性和耐用性以及降低成本。与传统的硅基技术相比，使用宽带隙(WBG)材料(如SiC)可实现更高的开关速度和更高的击穿电压，从而实现更小、更快、更可靠和更高效的功率器件。在图1中，比较了硅和SiC的一些主要电气特性。

关于制造工艺，迄今为止最困难的挑战之一是从100毫米(4英寸)晶圆过渡到150毫米(6英寸)晶圆。虽然晶圆尺寸的增加提供了大幅降低组件单位成本的优势，但另一方面，它在消除缺陷和提高所交付半导体的可靠性方面提出了苛刻的挑战。

市场面临的挑战主要涉及对电源解决方案的需求，以满足对车辆电气化和电池充电系统日益增长的需求。汽车行业无疑是SiC生产商主要精力集中的行业之一。制造下一代电动汽车将需要一种满足高效率和可靠性、消除缺陷和降低成本的严格要求的技术。

尽管SiC的特性已经为人所知一段时间，但第一批SiC功率器件的生产相对较新，从2000年代初开始，通过部署100毫米晶圆开始。几年前，大多数制造商完成了向150毫米晶圆的过渡，而200毫米(8英寸)晶圆的大规模生产将在未来几年内投入使用。

SiC晶圆从4英寸过渡到6英寸并非没有问题，这与难以保持相同的质量和相同的产量有关。生产SiC的主要挑战涉及材料的特性。由于其硬度(几乎像金刚石一样)，SiC需要更高的温度、更多的能量和更多的时间来生长和加工晶体。此外，使用最广泛的晶体结构(4H-SiC)的特点是高透明度和高折射率，因此很难检查材料是否存在可能影响外延生长或最终组件产量的表面缺陷。

SiC基板制造过程中可能发生的主要缺陷是晶体堆叠故障，微管，凹坑，划痕，污渍和表面颗粒。这些因素可能对SiC器件的性能产生不利影响，在150毫米晶圆上比在100毫米晶圆上更频繁地检测到。由于SiC是世界上第三硬的复合材料，而且非常脆弱，因此其生产带来了与周期时间，成本和切割性能相关的复杂挑战。

可以肯定的是，即使切换到200毫米晶圆也会引起重大问题。事实上，有必要保证基板的相同质量，面临不可避免的更高密度的缺陷。

电动汽车中的碳化硅

SiC器件的主要应用之一当然是汽车，特别是电动汽车和插电式混合动力电动汽车(PHEV)的生产。下一代电动汽车需要能够提高车辆效率(随之而来的续航里程增加)和电池充电速度的功率器件。

事实证明，SiC逆变器是满足这些要求的关键解决方案。除了将输入直流电转换为交流电外，逆变器还根据驱动需要控制提供给电机的功率水平。随着汽车电动公交车从400 V逐渐迁移到800 V，逆变器的作用变得更加重要。传统的逆变器在将能量从电池传输到电机方面提供的效率在大约97%到98%之间，而基于SiC的逆变器可以达到高达99%的效率。重要的是要强调效率提高小数点后一位或两位如何为整辆车带来非常显着的优势。图2显示了硅基IGBT和SiC基MOSFET的导通开关损耗之间的比较，证实与硅相比，SiC的损耗降低了76%。

SiC逆变器是这些类型应用的理想选择，因为它们可以承受高电压和高温，并允许减小所有其他组件的尺寸。通过使用电压为800 V的电池，可以降低所需的电流，并且可以使用更小的电缆，从而降低成本和车辆重量，并简化电气系统的组装阶段。总的来说，这提高了EV或PHEV的续航里程和效率。通过使用800V电池，由于使用了基于SiC的大功率DC/DC转换器，充电时间可以大幅缩短(与400 V电池所需的时间相比，充电时间缩短至五分之一)。它们的高效率使得在充电过程中最大限度地传递到电池的能量成为可能，而功率损耗可以忽略不计。图3显示了可以有效使用SiC功率器件的一些汽车领域，例如逆变器、转换器和电池充电器。

SiC允许功率器件在更高的温度、电压和开关频率下工作，使电力电子模块比使用硅等传统半导体制造的模块功能更强大、更节能。SiC提供的主要优势可以总结如下：

更高的开关频率

更高的工作温度

效率更高

更低的开关损耗

高功率密度

减小尺寸和重量

更好的热管理

SiC的作用领域注定要扩大，包括所有需要比基于硅技术的传统器件更高的效率或更高功率密度的关键应用。尽管这两种技术之间存在成本差异，但在电信行业等多种电源应用中使用SiC有助于降低系统的总体成本。例如，这是由于消除了散热器和冷却系统，或者由于无源设备的尺寸和成本的减小。

SiC最具挑战性的应用当然是5G移动技术，其速度比之前的4G LTE技术高20×。为了更快地运行，我们需要能够处理更高功率密度、具有更好热效率(避免危险的硬件系统过热)并为实现高效率而优化的设备。这些雄心勃勃的性能目标与功率MOSFET和肖特基二极管等SiC器件的优势完美匹配，这些器件能够在数百伏的电压和高于硅可以承受的温度下工作。

审核编辑：汤梓红