滿足市場(chǎng)對(duì)下一代碳化硅器件的需求

一些新出現(xiàn)的應(yīng)用使地球的未來(lái)充滿了激動(dòng)人心的可能性，但同時(shí)也是人類(lèi)所面臨的最大技術(shù)挑戰(zhàn)之一。例如，雖然太陽(yáng)能可以提供無(wú)限的能源，但要想成功商業(yè)化，設(shè)計(jì)人員必須提供更高的功率和效率，同時(shí)不增加成本或尺寸。

在汽車(chē)領(lǐng)域，目前電動(dòng)汽車(chē) (EV) 已經(jīng)非常普及，但由于人們擔(dān)心可用充電基礎(chǔ)設(shè)施、充電所需時(shí)間和續(xù)航里程有限等問(wèn)題，電動(dòng)汽車(chē)的普及仍然受到了限制。在這種情況下，設(shè)計(jì)人員面臨的挑戰(zhàn)包括如何提高電氣效率、優(yōu)化動(dòng)力總成的尺寸和重量，包括主驅(qū)逆變器和車(chē)載充電器 (OBC) 等元件，并不斷降低成本。

碳化硅器件的優(yōu)勢(shì)

硅基半導(dǎo)體器件自問(wèn)世以來(lái)一直是功率應(yīng)用的主流。性能的提高加上電源轉(zhuǎn)換拓?fù)涞膭?chuàng)新，確保效率水平持續(xù)提升，從而滿足大多數(shù)應(yīng)用的要求。

然而，面對(duì)不斷提升的性能需求，硅基半導(dǎo)體進(jìn)一步改進(jìn)的空間有限，促使在新應(yīng)用中更多采用寬禁帶 (WBG) 半導(dǎo)體，如碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN)。

圖 1：多種應(yīng)用可受益于 SiC 器件的特性

SiC 功率半導(dǎo)體本身具有較高的電子遷移率和飽和速度，可在較高頻率下以相對(duì)較低的損耗運(yùn)行，從而減小了開(kāi)關(guān)應(yīng)用中體積龐大的磁性器件的尺寸和成本。

圖 2：SiC 為電力系統(tǒng)帶來(lái)諸多優(yōu)勢(shì)

WBG 器件還具有較低的導(dǎo)通損耗，有助于提高效率。這使得充電器能夠更快地為電池充電，并降低了散熱要求，使得散熱器可以更小、更便宜。由于 SiC 能夠在高達(dá) 175°C 的結(jié)溫 (Tj) 下工作，因此進(jìn)一步降低了對(duì)散熱器的需求。

為了進(jìn)一步提高效率，應(yīng)用正在轉(zhuǎn)向更高電壓，以減小電流，從而降低損耗。例如，在過(guò)去幾年中，太陽(yáng)能應(yīng)用中的直流母線電壓已從 600 V 升至 1500 V。同樣，電動(dòng)汽車(chē)中的 400 VDC 總線（基于電池電壓）已升至 800 V 甚至 1000 V。

在此之前，750 V 額定值的硅基功率半導(dǎo)體幾乎可以滿足所有應(yīng)用的需要。不過(guò)，為了確保有足夠的耐壓能力實(shí)現(xiàn)安全可靠的運(yùn)行，額定電壓為 1200 V 或 1700 V 的器件還是有必要的。幸運(yùn)的是，SiC 的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是能夠在這些高電壓下工作。

基于 SiC 技術(shù)的最新開(kāi)關(guān)器件

為滿足汽車(chē)和太陽(yáng)能等關(guān)鍵應(yīng)用對(duì)更高擊穿電壓的需求，安森美 (onsemi) 最近推出了 1700V M1 平面 EliteSiC MOSFET 器件，非常適合需要快速開(kāi)關(guān)、高效率運(yùn)行的應(yīng)用。

作為首批商用器件之一，NTH4L028N170M1 具有 1700 V 的 VDSS，擴(kuò)展 VGS 為 -15/+25 V，RDS (ON) 典型值僅為 28 mÙ，因此適用于目前在用的最高電池電壓。由于能夠在高達(dá) 175°C 的結(jié)溫下連續(xù)運(yùn)行，因此無(wú)需使用風(fēng)扇（可能不夠可靠）或散熱器等散熱措施。在某些應(yīng)用中，完全不需要額外的散熱。

NTH4L028N170M1 的另一個(gè)有用特性是 TO-247-4L 封裝內(nèi)的開(kāi)爾文源連接，可改善功耗并降低柵極引腳上的噪聲。

圖 3：安森美的新型 1700 V EliteSiC MOSFET

為支持新型 MOSFET，安森美還發(fā)布了 D1 系列 1700 V SiC 肖特基二極管，包括 NDSH25170A 和 NDSH10170A。高額定電壓可使設(shè)計(jì)受益于反向重復(fù)峰值電壓(VRRM)之間的額外電壓裕量，從而提高可靠性。此外，D1 肖特基二極管有著較低的最大正向電壓 (VFM) 值和出色的反向漏電流，即使在高溫條件下也能確保可靠的高壓運(yùn)行。

圖 4：安森美的新型 1700 V 肖特基二極管

新型二極管采用 TO-247-2 封裝或裸片形式，以適應(yīng)各種應(yīng)用的機(jī)械限制。

保障 SiC 器件的供應(yīng)

鑒于 SiC 器件在太陽(yáng)能和電動(dòng)汽車(chē)等大批量、高增長(zhǎng)應(yīng)用中的性能和受歡迎程度，全球供應(yīng)鏈的緊張情況也就不足為奇了。在某些情況下，這限制了太陽(yáng)能裝置或電動(dòng)汽車(chē)的交付數(shù)量，因此在進(jìn)行器件選擇過(guò)程中，制造商的供應(yīng)能力至關(guān)重要。

安森美最近收購(gòu)了 GT Advanced Technology (GTAT)，因此，我們成為具有端到端能力的大型 SiC 供應(yīng)商，包括晶錠批量生長(zhǎng)、襯底制備、外延、器件制造、出色的集成模塊和分立式封裝解決方案。

為滿足市場(chǎng)對(duì) SiC 器件的持續(xù)需求，安森美的路線圖是在 2024 年之前大幅提高襯底、器件和模塊的產(chǎn)能，并制定了更加雄心勃勃的中期計(jì)劃。