【導(dǎo)讀】在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，硅一直是世界各地電力電子轉(zhuǎn)換器所用器件的首選半導(dǎo)體材料，但 1891 年碳化硅 (SiC) 的出現(xiàn)帶來(lái)了一種替代材料，它能減輕對(duì)硅的依賴。SiC 是寬禁帶 (WBG) 半導(dǎo)體：將電子激發(fā)到導(dǎo)帶所需的能量更高，并且這種寬禁帶具備優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)硅基器件的多種優(yōu)勢(shì)。
由于漏電流更小且?guī)陡螅骷梢栽诟鼘挼臏囟确秶鷥?nèi)工作，而不會(huì)發(fā)生故障或降低效率。它還具有化學(xué)惰性，所有這些優(yōu)點(diǎn)進(jìn)一步鞏固了 SiC 在電力電子領(lǐng)域的重要性，并促成了它的快速普及。SiC 功率器件目前已廣泛用于眾多應(yīng)用，例如電源、純電動(dòng)車電池充電的功率轉(zhuǎn)換和主驅(qū)、工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、太陽(yáng)能和風(fēng)能逆變器等可再生能源發(fā)電系統(tǒng)。
安森美(onsemi)的 1700-V EliteSiC MOSFET (NTH4L028N170M1) 提供更高擊穿電壓 (BV) SiC 方案，滿足大功率工業(yè)應(yīng)用的需求。使用兩個(gè) 1700-V 雪崩額定值的 EliteSiC 肖特基二極管（NDSH25170A、NDSH10170A），設(shè)計(jì)人員便可實(shí)現(xiàn)高溫高壓下的穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)提供 SiC 帶來(lái)的高效率。
近日，在接受《Power Electronics News》采訪時(shí)，安森美工業(yè)電源方案產(chǎn)品營(yíng)銷總監(jiān) Ajay Reddy Sattu 指出，安森美的 EliteSiC 技術(shù)專注于兩個(gè)關(guān)鍵應(yīng)用領(lǐng)域：能源基礎(chǔ)設(shè)施和電動(dòng)汽車。
Ajay Reddy Sattu
安森美工業(yè)電源方案產(chǎn)品營(yíng)銷總監(jiān)
據(jù) Sattu 說(shuō)，最先是在能源基礎(chǔ)設(shè)施中，雙向供電將大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)與商業(yè)或電站規(guī)模的太陽(yáng)能逆變器連接起來(lái)。
Sattu 說(shuō)道：“雙向供電的靈活性意味著往返效率是一個(gè)重要指標(biāo)；因此對(duì)于電站規(guī)模的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，即使效率略微提高 0.5%，也能省下大量能源。比如一個(gè)典型的太陽(yáng)能應(yīng)用，其中直流輸出電壓被升壓到 1100-V ，然后逆變?yōu)槿嘟涣麟姟Ｈ鐖D 1 所示，升壓級(jí)可以利用全 IGBT [Si IGBT + 二極管] 模塊方案或混合 IGBT [Si IGBT + SiC 二極管] 方案或全 SiC [SiC MOSFET + SiC 二極管] 方案來(lái)實(shí)現(xiàn)。雖然混合IGBT方案已經(jīng)很普遍，但隨著未來(lái)幾年 SiC 晶圓成本的降低，全 SiC 方案將對(duì)混合IGBT方案構(gòu)成挑戰(zhàn)。假設(shè)系統(tǒng)級(jí)條件為 500 V/25 A，F(xiàn)sw 為 16 kHz，輸出電壓為 800 V，使用 600 μH 升壓電感。”
從表 1 對(duì)混合 IGBT 方案和全 SiC 方案的比較可以明顯看出，在相同條件下，全 SiC 方案的總損耗低得多，因此效率更高。Sattu 表示：“采用全 SiC 模塊時(shí)，開(kāi)關(guān)頻率可以提高到 40 kHz 或更高，從而使升壓電感可低至 200 μH，成本和重量得以降低。”
圖1. 太陽(yáng)能電池板應(yīng)用
表1. 混合 IGBT 方案和全 SiC 方案的比較
第二個(gè)重點(diǎn)關(guān)注領(lǐng)域是電動(dòng)汽車充電器 (EVC)。據(jù) Sattu 說(shuō)，根據(jù)電壓輸入和功率水平，當(dāng)今的電動(dòng)汽車充電器主要分為三級(jí)。
他指出：“1 級(jí)一般是采用家電插座輸出的 120 V 單相交流電作為輸入，最大額定電流為 15 至 20 A，充電速度非常慢。2 級(jí)采用交流 220 V 進(jìn)行充電，通常部署在家庭、工作場(chǎng)所或公共場(chǎng)所，能夠?yàn)槠囋黾?12 至 80 英里/小時(shí)的里程，具體取決于功率輸出水平。2 級(jí)充電器可提供高達(dá) 7.7 至 11 kW 的充電功率，使得普通電動(dòng)汽車可在大約 2 至 8 小時(shí)內(nèi)充滿電。大得多的直流快速充電器為 3 級(jí)，僅部署在商業(yè)場(chǎng)所，接入當(dāng)?shù)仉娏μ峁┥痰娜嚯娫础＿@些系統(tǒng)可以在 30 分鐘內(nèi)為電動(dòng)汽車電池增加 100 英里以上的行駛里程。”
Sattu 補(bǔ)充道：“我們來(lái)看看圖 2 所示的典型電動(dòng)汽車充電站框圖。以系統(tǒng)級(jí)的直流快速充電器為例。前端是一個(gè)三相功率因數(shù)校正 (PFC) 變換器，它可采用多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，如兩電平、三電平、單向或雙向。來(lái)自電網(wǎng)的電壓電平 400 [歐盟] / 480 [美國(guó)] 升壓至 700 到 1000 V。隨后的隔離 DC/DC 將總線電壓轉(zhuǎn)換為所需的輸出電壓。輸出電壓與電動(dòng)汽車電池電壓（通常為 400 V 或 800 V）一致，需要覆蓋電壓充電曲線。因此，DC/DC 輸出范圍可能在 150 V 至 1500 V 范圍內(nèi)擺動(dòng)。SiC MOSFET 的價(jià)值定位如下圖所示。為了適應(yīng)電動(dòng)汽車電池的雙向充電/放電過(guò)程和寬電壓范圍，IGBT 被 SiC MOSFET 方案所取代。”
圖2. 電動(dòng)汽車充電站框圖
設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)
隨著越來(lái)越多的設(shè)計(jì)人員正在或已經(jīng)將 SiC 用于其設(shè)計(jì)中，對(duì)于 SiC 的質(zhì)量、可靠性和供應(yīng)情況是否長(zhǎng)期有保障出現(xiàn)了一些擔(dān)憂。隨著 SiC MOSFET 的商用化和發(fā)展，柵極氧化層的可靠性也有了顯著提高。
柵極氧化層和保護(hù)其免受高電場(chǎng)影響的方法仍然是器件開(kāi)發(fā)的一個(gè)關(guān)鍵焦點(diǎn)領(lǐng)域。改進(jìn)篩選測(cè)試以剔除隨時(shí)間推移可能有參數(shù)漂移的芯片也很重要。
在加工過(guò)程中，柵極氧化層缺陷密度必須保持在最低水平，以使 SiC MOSFET 像 Si MOSFET 一樣可靠。還必須開(kāi)發(fā)創(chuàng)新的篩選方法，例如在最終電氣測(cè)試中發(fā)現(xiàn)并消除可能的較弱器件。
Sattu 說(shuō)：“安森美從兩個(gè)方面考慮柵極氧化層的可靠性：本征和外部。首先，我們的EliteSiC 工藝流程經(jīng)過(guò)了強(qiáng)化，在各個(gè)工序中加入了篩選措施，以篩選出由工藝可能引起的失效模式。其次，我們還實(shí)施晶圓級(jí)或封裝級(jí)老化方法來(lái)消除早期失效。此外，作為本征可靠性研究的一部分，我們根據(jù)時(shí)間相關(guān)的介質(zhì)擊穿特性分析來(lái)評(píng)估 EliteSiC MOSFET 技術(shù)，確保器件在應(yīng)用曲線所要求的范圍之外也能正常運(yùn)行。顯然，氧化層厚度和溝道遷移率之間的權(quán)衡取舍限制了所使用的氧化層厚度和應(yīng)用中施加的 VGS [15 V 或 18 V]，影響了長(zhǎng)期可靠性。”
圖 3 比較了不同 VGS 下的壽命性能，它比實(shí)際應(yīng)用所采用的電壓要高得多。據(jù) Sattu 說(shuō)，很明顯，我們采用遠(yuǎn)超工業(yè)和汽車行業(yè)要求的測(cè)試條件進(jìn)行了測(cè)試，并成功得到了不同工況下所對(duì)應(yīng)的失效等級(jí)。
圖3. VGS 與壽命性能的關(guān)系
VGS 遠(yuǎn)高于實(shí)際應(yīng)用中使用的電壓
寬禁帶半導(dǎo)體潛力很大，但設(shè)計(jì)人員需要意識(shí)到使用這些材料帶來(lái)的困難。以更高的開(kāi)關(guān)頻率和更大的功率密度工作，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)源元件（電感和電容）的尺寸減小，創(chuàng)建更輕更小的系統(tǒng)。然而，預(yù)測(cè)這些較小的無(wú)源元件在較高頻率下工作時(shí)的行為可能具有挑戰(zhàn)性，并且可能會(huì)出現(xiàn)熱量管理問(wèn)題。寬禁帶半導(dǎo)體的工作溫度比硅基器件支持的溫度高，因此需要精心設(shè)計(jì)。在整個(gè)設(shè)計(jì)階段都要考慮更大的熱應(yīng)力，這可能會(huì)對(duì)系統(tǒng)的可靠性產(chǎn)生不利影響。再現(xiàn)或仿真讓電子器件承受極端熱應(yīng)力的惡劣工作環(huán)境，是電子設(shè)計(jì)人員面臨的主要問(wèn)題之一。
熱管理的目標(biāo)是有效地從芯片和封裝中散熱。據(jù) Sattu 說(shuō)，有以下幾種途徑。
他說(shuō)：“首先，可以采用銅基板方案以改善從器件結(jié)到散熱器的熱阻 Rth。這一點(diǎn)非常重要，尤其是對(duì)于 EliteSiC M3 技術(shù)平臺(tái)而言，其具有出色的特定導(dǎo)通電阻。即使芯片很小，也可以通過(guò)使用銅基板，有效增加散熱面積，并且減少熱阻。雖然提供銅基板在工業(yè)應(yīng)用中并不常見(jiàn)，但安森美為 F5 和 Q2 功率集成模塊 [PIM] 提供了這種配置選項(xiàng)，而且目前正在開(kāi)發(fā)使用銅基板的 F2 模塊。在我們最大的 PIM 模塊之一 F5 上采用了銅基板后，結(jié)果是 Rthjs 改善了 9.3%，如下圖所示。此外，在同一 PCB 板上有多個(gè) PIM 模塊的應(yīng)用中，采用銅基板可以改善翹曲。”
他補(bǔ)充道：“第二個(gè)改進(jìn)來(lái)自于 SiC 器件燒結(jié)技術(shù)的實(shí)施。這已經(jīng)成為汽車產(chǎn)品的主流，將來(lái)安森美的工業(yè)產(chǎn)品可能會(huì)采用這種芯片貼裝(die-attach)工藝代替?zhèn)鹘y(tǒng)的焊接工藝，以進(jìn)一步降低熱阻。”
圖4. 熱性能
可再生能源
隨著太陽(yáng)能系統(tǒng)母線電壓達(dá)到 1100 V 至 1500 V，可再生能源應(yīng)用正穩(wěn)步推進(jìn)到更高的電壓。客戶要求擊穿電壓更高的 MOSFET 來(lái)支持這種改進(jìn)。新型 1700-V EliteSiC MOSFET 的最大 VGS 范圍為 -15 V/25 V，適合柵極電壓上升至 -10 V 的快速開(kāi)關(guān)應(yīng)用，可提高系統(tǒng)的可靠性。
Sattu 說(shuō)：“對(duì)于使用 1500 V 總線的發(fā)電站而言，為了滿足諸如減少宇宙射線引起的失效、提高效率和提供儲(chǔ)能功能之類的特殊要求，將需要采用高效率的功率半導(dǎo)體。我們的 SiC MOSFET 和二極管額定值 1.7 kV，可提升 1500 V 直流總線的系統(tǒng)性能并降低成本。這里的關(guān)鍵是達(dá)成類似于當(dāng)今硅基方案的單通道成本或最大功率點(diǎn)跟蹤。隨著 SiC 制造成本的優(yōu)化，基于 SiC 的 1.7 kV 升壓方案將能顯著降低系統(tǒng)成本。通過(guò)垂直整合，安森美既有技術(shù)實(shí)力又有供應(yīng)鏈能力來(lái)成為這一領(lǐng)域的主要參與者。”
前景和下一步規(guī)劃？
除了太陽(yáng)能和電動(dòng)汽車充電器之外，基于 SiC 的器件在其他幾個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域也有顯著優(yōu)勢(shì)，尤其是額定電壓 650 V 的器件。
據(jù) Sattu 說(shuō)，數(shù)據(jù)中心電源就是這樣一個(gè)例子。“如下圖所示，新的 80 Plus Titanium 的要求和輕載效率的要求，使 SiC MOSFET 的使用方式發(fā)生了系統(tǒng)層面的轉(zhuǎn)變。例如，當(dāng)前端采用圖騰柱 PFC 實(shí)現(xiàn)方案時(shí)，SiC MOSFET 將用于 PFC 的快速橋臂和 DC/DC 級(jí)的初級(jí)側(cè)。這里的關(guān)鍵不僅僅是性能指標(biāo)，還要滿足成本指標(biāo)。安森美目前正在開(kāi)發(fā)新的 650-V M3 產(chǎn)品以取代現(xiàn)有的 M1 產(chǎn)品，進(jìn)一步改善基準(zhǔn)品質(zhì)因數(shù)和成本狀況。”
圖5. 數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)
Sattu 補(bǔ)充說(shuō)：“另一種新興應(yīng)用是工業(yè)電機(jī)控制市場(chǎng)，其對(duì)高效率和出色的熱管理、低 EMI、良好的可控性和高可靠性有著嚴(yán)格的要求。類似于能源基礎(chǔ)設(shè)施市場(chǎng)，與 Si IGBT 相比，SiC 會(huì)為電機(jī)控制應(yīng)用提供更好的價(jià)值定位。例如，對(duì)于伺服驅(qū)動(dòng)器，在芯片電流額定值相似的情況下，脈沖電流額定值會(huì)更高，因而使用被動(dòng)散熱方案即可，并且有可能將驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與電機(jī)本身集成。考慮到 90% 以上的操作是在恒速或低扭矩下進(jìn)行的，使用 SiC 可以顯著改善導(dǎo)通損耗。其他一些新興應(yīng)用，如固態(tài)斷路器、固態(tài)變壓器和燃料電池逆變器等，采用 EliteSiC 產(chǎn)品組合也能提供高效率和熱優(yōu)勢(shì)。”
對(duì)于電動(dòng)汽車和可再生能源系統(tǒng)，電源管理方案必須能夠改善性能、節(jié)約成本并縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間。SiC 堆疊方法能夠提高性能和降低價(jià)格，目前對(duì)于電動(dòng)汽車、商業(yè)運(yùn)輸、可再生能源和存儲(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員非常有利。
SiC 器件廣泛應(yīng)用于汽車行業(yè)，尤其是電動(dòng)汽車和插電式混合動(dòng)力汽車的制造。下一代電動(dòng)汽車的動(dòng)力系統(tǒng)必須能夠提升車輛的效率（從而增加行駛里程）和電池充電速度。
SiC 逆變器被證明是解決這些問(wèn)題的關(guān)鍵器件。基于 SiC 的逆變器可以實(shí)現(xiàn)高達(dá) 99% 的效率，而標(biāo)準(zhǔn)逆變器將能量從電池傳輸?shù)诫姍C(jī)的效率為 97% 至 98%。值得注意的是，小數(shù)點(diǎn)后一位或兩位的效率提升能對(duì)整車產(chǎn)生巨大的積極影響。
由于能源需求的增加和可再生能源使用的擴(kuò)大，微電網(wǎng)在減少溫室氣體排放和對(duì)化石燃料的依賴方面變得更加重要。然而，微電網(wǎng)系統(tǒng)不能采用硅基固態(tài)逆變器和開(kāi)關(guān)，因?yàn)樗鼈凅w積太大且效率低下。SiC 等寬禁帶半導(dǎo)體具有更高的擊穿電壓和開(kāi)關(guān)頻率，是開(kāi)發(fā)高效可靠微電網(wǎng)的關(guān)鍵因素。
由于來(lái)自非線性負(fù)載的非正弦電流，連接到網(wǎng)絡(luò)的大量電子設(shè)備會(huì)在能量分配系統(tǒng)中產(chǎn)生大量諧波。采用合適的有源或無(wú)源濾波器是消除能量分配系統(tǒng)中的諧波失真的經(jīng)典方法之一。通過(guò)將諧波補(bǔ)償功能直接集成到轉(zhuǎn)換器中，無(wú)需特殊濾波器，基于 SiC 的功率器件能夠在非常高的開(kāi)關(guān)電壓和頻率下工作，從而減小設(shè)計(jì)的尺寸、復(fù)雜度和成本。
雖然 SiC 的特性已經(jīng)為人所知有一段時(shí)間了，但第一批 SiC 功率器件是最近才生產(chǎn)出來(lái)的，始于 21 世紀(jì)初，使用的是 100 mm 晶圓。幾年前，大多數(shù)制造商轉(zhuǎn)向 150 mm 晶圓，最近又轉(zhuǎn)向大規(guī)模生產(chǎn) 200 mm（8 英寸）晶圓。
由于面臨保持相同質(zhì)量和良率的挑戰(zhàn)，SiC 晶圓從 4 英寸到 6 英寸的轉(zhuǎn)變并不順利。材料的特性是 SiC 制造中最大的問(wèn)題。由于硬度極高（幾乎接近鉆石），SiC 的晶體形成和加工需要更長(zhǎng)的時(shí)間、更多的能量和更高的溫度。此外，最常見(jiàn)的晶體結(jié)構(gòu) (4H-SiC) 具有高透明度和高折射率，因此難以分析材料有無(wú)可能影響外延生長(zhǎng)或最終元件良率的表面缺陷。
結(jié)晶堆垛層錯(cuò)、表面顆粒、微管、凹坑、劃痕和污漬是制造 SiC 基板時(shí)可能出現(xiàn)的主要缺陷。這些變數(shù)可能對(duì) SiC 器件的性能產(chǎn)生負(fù)面影響；相比于 100 mm 晶圓，它們?cè)?150 mm 晶圓上出現(xiàn)的頻率更高。SiC 是世界上第三硬的復(fù)合材料，而且非常易碎，因此其制造存在周期時(shí)間、成本和切割性能方面的困難。向 200-mm SiC 晶圓的轉(zhuǎn)變將使汽車和工業(yè)市場(chǎng)受益匪淺，因?yàn)樗芗涌爝@些市場(chǎng)的系統(tǒng)和產(chǎn)品的電氣化進(jìn)程。隨著產(chǎn)量的提高，這對(duì)促進(jìn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)至關(guān)重要。
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