碳化矽與矽相比有何優勢?

2020-12-06 電子發燒友

碳化矽與矽相比有何優勢？

電子技術設計 發表於 2020-10-16 10:47:47

文章來源：電子技術設計

作者：廖均

電力電子朝向碳化矽（SiC）和氮化鎵（GaN）等寬能隙（WBG）材料發展，雖然矽仍然佔據市場主流，但SiC與GaN器件很快就會催生新一代更高效的技術解決方案。

據總部位於法國的市場研究機構Yole Développement估計，到2025年SiC器件市場營收將佔據整體電力電子市場的10%以上，GaN器件的營收比例會超過2%。

SiC組件的知名供貨商包括意法半導體（ST）、Cree/Wolfspeed、羅姆、英飛凌、安森美半導體（On Semiconductor）以及三菱（Mitsubishi Electric）。

Cree推出了首款商用900V SiC功率MOSFET以及Wolfspeed 650V碳化矽MOSFET產品組合；Microchip和ROHM均已發布SiC MOSFET和二極體；英飛凌在推出了8款650V CoolSiC MOSFET器件。。.。。.由此看出各大廠商在SiC材料方面均有所布局並有著自己的發展策略。

碳化矽較矽有何性能優勢？

矽早已是大多數電子應用中的關鍵半導體材料，但與SiC相比，則顯得效率低下。SiC現在已開始被多種應用採納，特別是電動汽車，以應對開發高效率和高功率器件所面臨的能源和成本挑戰。

SiC由純矽和碳組成，與矽相比具有三大優勢：更高的臨界雪崩擊穿場強、更大的導熱係數和更寬的禁帶。

SiC具有3電子伏特（eV）的寬禁帶，可以承受比矽大8倍的電壓梯度而不會發生雪崩擊穿。禁帶越寬，在高溫下的漏電流就越小，效率也越高。而導熱係數越大，電流密度就越高。

圖1：碳化矽相較於矽的性能優勢

SiC襯底具有更高的電場強度，因而可以使用更薄的基礎結構，其厚度可能僅為矽外延層的十分之一。此外，SiC的摻雜濃度比矽高2倍，因此器件的表面電阻降低了，傳導損耗也顯著減少。

SiC現已公認為是一種能夠可靠替代矽的技術。許多電源模塊和電源逆變器製造商已在其未來產品路線圖中規劃使用SiC技術。

這種寬禁帶技術大幅降低了特定負載下的開關損耗和傳導損耗，改善了散熱管理，提供了前所未有的能效。在功率電子系統中，散熱設計至關重要，它能確保高能量密度，同時縮小電路尺寸。在這些應用中，SiC因其3倍於矽半導體的導熱係數而成為理想的半導體材料。

SiC技術適用於功率較高的項目，例如電動機、驅動器和逆變器。電驅動器製造商正在開發新的驅動電路，以滿足轉換器對更高開關頻率的需求，並採用更複雜巧妙的拓撲結構來減小電磁幹擾（EMI）。

SiC器件所需的外部元器件更少，系統布局更可靠，製造成本也更低。由於效率更高、外形尺寸更小以及重量更輕，智能設計的冷卻要求也相應降低。

碳化矽的應用

電動汽車/混動汽車

幾家汽車製造商運用全新的動力概念，在市場上率先推出了混動和電動汽車。這些車輛包含新的器件和系統，例如為發動機提供動力的變頻器（最高達300kW）、3.6W至22kW車載電池充電器、3.6kW至22kW感應充電器（無線充電）、高達5kW的DC/DC轉換器，以及用於空調和動力轉向系統等輔助負荷的逆變器。

新型高壓電池是混動和電動汽車發展的主要障礙之一。利用SiC，汽車製造商可以縮小電池尺寸，同時降低電動汽車的總成本。

此外，由於SiC具有良好的散熱性能，因此製造商還可以降低冷卻動力總成器件的成本。這有助於減小電動汽車的重量並降低成本。

電動汽車/混動汽車也是安森美半導體的SiC戰略重點市場之一。在近日舉辦的「安森美半導體碳化矽策略及方案」在線媒體交流會上，該公司電源方案部產品市場經理王利民介紹說，

電動汽車是碳化矽的主要驅動力之一，將佔整個碳化矽市場容量約60%。碳化矽器件應用於主驅、OBC和DC-DC，可大幅度提高效率，因此能給電動汽車增加續航能力。基於這些優點，目前幾乎所有做主驅逆變器的廠家都以研究碳化矽做主驅為方向。

圖2：電動汽車是碳化矽的主要驅動力之一

車載充電器包含各種功率轉換器件，例如二極體和MOSFET。其目標是通過使用小尺寸無源元件，使功率電子電路體積變小，從而將它們全部集成在一起。

如果所用的半導體器件能夠用高開關頻率在相同的電路中進行控制，就可以實現這個目標。但是，由於矽的散熱性能不夠好，高開關頻率解決方案並不適用。SiC MOSFET為此類應用提供了理想的解決方案。

目前絕大部分OBC和DC-DC廠家是使用碳化矽器件作為高效、高壓和高頻率的功率器件。

王利民舉例說，

美國加利福尼亞州已籤署行政命令，到2030年實現500萬輛電動車上路的目標；

歐洲也有電動汽車全部替換燃油車的時間表；

而在中國各大一線城市，電動汽車可以零費用上牌。

這一系列政策都推動了電動汽車的大幅增長，電動汽車對於高壓、高頻率和高效率器件的需求也推動了碳化矽市場的大幅增長。

5G電源和開關電源

5G電源和開關電源（SMPS）領域是安森美半導體的第二個碳化矽戰略市場。

傳統的開關電源領域是Boost及高壓電源，對功率密度一直都有很高的要求，從最早通信電源的金標、銀標，到現在的5G通信電源和雲數據中心電源，這些都對高能效有很高的要求。

「碳化矽器件沒有反向恢復，使得電源能效非常高，可達到98%。電源和5G電源是碳化矽器件最傳統、也是目前相對較大的一個市場。」王利民說。

圖3：碳化矽可用於5G電源和開關電源中

電動汽車充電樁

電動汽車充電樁也是我們碳化矽戰略市場之一。充電樁實現的方案有很多種，現在消費者最感興趣的就是直流快充。

直流快充的充電樁需要非常大的充電功率以及非常高的充電效率，這些都需要通過高電壓來實現。

在電動汽車充電樁的應用裡，碳化矽無論是在Boost，還是輸出的二極體，目前有很多使用主開關的碳化矽MOSFET電動汽車充電樁方案，其應用前景非常廣闊。

圖4：電動汽車充電樁也是碳化矽的一個應用領域

太陽能逆變器

在太陽能逆變器領域，碳化矽二極體的使用量也非常巨大。太陽能逆變器的安裝量每年持續增長，預計未來10~15年會有15%的能源（目前是1%）來自太陽能。太陽能是免費的，且取之不盡用之不竭。國內已出臺相關政策，個人可以把太陽能電力賣給國家電網。

「碳化矽半導體可應用於太陽能逆變器的Boost。隨著太陽能逆變器成本的優化，不少廠家會使用碳化矽的MOSFET作為主逆變的器件，用來替換原來的三電平（逆變器）控制複雜電路。」王利民說，「在政策驅動方面，歐盟有20-20-20目標，即到2020年，能效提高20%，二氧化碳排放量降低20%，可再生能源達到20%。NEA也設定了清潔能源目標，到2030年要滿足中國20%的能源需求。」

圖5：碳化矽在太陽能逆變器中的應用

結語

長期可靠性已成為SiC MOSFET的標誌。功率半導體製造商接下來的任務是開發多晶片功率模塊或混合模塊，將傳統的矽電晶體和SiC二極體集成在同一物理器件上。由於具有較高的擊穿電壓，這些模塊可以在更高的溫度下工作。它們還能提供高效率，同時進一步縮小設備尺寸。

從目前的市場價格來看，SiC MOSFET相較於矽IGBT具有系統級優勢，而且，隨著150 毫米晶圓製造被廣泛採用，預計SiC MOSFET的價格還將繼續下降。

一些製造商已經開始生產200毫米（8英寸）晶圓。隨著晶圓尺寸的增加，每個裸片的成本將會降低，但良率也可能降低。因此，製造商必須不斷改進工藝。

然而，由於SiC器件的製造工藝成本較高，並且缺乏量產，因而很難被廣泛使用。SiC器件的批量生產需要精心設計的穩健架構和製造工藝，例如在晶圓測試中，要求被測試的器件尺寸更小並且工作在較高的電流和電壓範圍內。

一旦解決了這些難題，OEM設計師將會採用更多的SiC器件，充分利用其良好的電氣特性，大幅降低系統成本並提高整體效率。

責任編輯：haq

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