如何保障下一代碳化硅 (SiC) 器件的供需平衡
作者：安森美 ajay sattu
在工业、汽车和可再生能源应用中，基于宽禁带 (wbg) 技术的组件，比如 sic，对提高能效至关重要。在本文中，安森美 (onsemi) 思考下一代 sic 器件将如何发展，从而实现更高的能效和更小的尺寸，并讨论对于转用 sic 技术的公司而言，建立稳健的供应链为何至关重要。
在广泛的工业系统（如电动汽车充电基础设施）和可再生能源系统（如太阳能光伏 (pv)）应用中，mosfet 技术、分立式封装和功率模块的进步有助于提高能效并降低成本。然而，平衡成本和性能对于设计人员来说是一项持续的挑战，必须在不增加太阳能逆变器的尺寸或散热成本的情况下，实现更高的功率。实现这一平衡非常有必要，因为降低充电成本将是提高电动汽车普及率的关键推动因素。
汽车的能效与车载电子器件的尺寸、重量和成本息息相关，这些都会影响车辆的行驶里程。在电动/混动汽车中使用 sic 取代 igbt 功率模块可显著改进性能，尤其是在主驱逆变器中，因为这有助于显著提高车辆的整体能效。轻型乘用车主要在低负载条件下工作，在低负载下，sic 的能效优势比 igbt 更加明显。车载充电器 (obc) 的尺寸和重量也会影响车辆行驶里程。因此，obc 必须设计得尽可能小，而 wbg 器件具有较高的开关频率，在这方面发挥着至关重要的作用。
sic 技术的优势
为了最大限度减少电源转换损耗，需要使用具有出色品质因数的半导体功率开关。电源应用中使用的硅基半导体器件（igbt、mosfet 和二极管）的性能改进，加上电源转换拓扑方面的创新，使能效大幅提升。然而，由于硅基半导体器件已接近其理论极限，在新应用中它们正逐渐被 sic 和氮化镓 (gan) 等宽禁带 (wbg) 半导体取代。
图 1：多种应用可从 sic 器件的特性中受益
对更高性能、更大功率密度和更优性能的需求不断挑战着 sic 的极限。得益于宽禁带特性，sic 能够承受比硅更高的电压（1700v 至 2000v）。同时，sic 本身还具有更高的电子迁移率和饱和速度。因此，它能够在明显更高的频率和结温下工作，对电源应用而言非常理想。此外，sic 器件的开关损耗相对更低，这有助于降低无源组件的尺寸、重量和成本。
图 2：sic 为电源系统带来诸多优势
sic 器件的导通损耗和开关损耗更低，因此降低了对散热的要求。再加上它能够在高达 175°c 的结温 (tj) 下工作，因而对风扇和散热片等散热措施的需求减少。系统尺寸、重量和成本也得以减小，并且在空间受限的应用中也能保障更高的可靠性。
需要更高电压
通过增加电压以减少电流，可减少在所需功率下的损耗。因此，在过去几年里，来自 pv 板的直流母线电压已从 600 v 提高到 1500 v。同样地，轻型乘用车中的 400 v 直流母线可提升到 800 v 母线（有时可提高到 1000 v）。过去，对于 400 v 母线电压，所用器件的额定电压为 750 v。现在，需要具有更高额定电压（1200 v 至 1700 v）的器件，以确保这些应用能够安全、可靠地工作。
sic 的最新进展
为了满足对具有更高击穿电压的器件的需求，安森美开发了 1700v m1 平面 elitesic mosfet 系列产品，针对快速开关应用进行了优化。nth4l028n170m1 是该系列首批器件中的一款，其 vdss 为 1700 v，具有更高的 vgs，为 -15/+25 v，并且其 rds(on) 典型值仅 28 mw。
这些 1700 v mosfet 可在高达 175°c 的结温 (tj) 下工作，因而能够与更小的散热片结合使用，或者有时甚至不需要使用散热片。此外，nth4l028n170m1 的第四个引脚上有一个开尔文源极连接（to-247-4l 封装），用于降低导通功耗和栅极噪声。这些开关还提供 d2pak–7l 封装，具有更低的封装寄生效应。
图 3：安森美的新型 1700 v elitesic mosfet
采用 to-247-3l 和 d2pak-7l 封装的 1700 v 1000 mwsic mosfet 也已投产，适用于电动汽车充电和可再生能源应用中的高可靠性辅助电源单元。
安森美开发了 d1 系列 1700 v sic 肖特基二极管。1700 v 的额定电压可在 vrrm 和反向重复峰值电压之间为器件提供更大的电压裕量。该系列器件具有更低的 vfm（最大正向电压）和出色的反向漏电流，有助于实现在高温高压下稳定运行的设计。
图 4：安森美的新型 1700 v 肖特基二极管
ndsh25170a 和 ndsh10170a 器件以 to-247-2 封装和裸片两种形式供货，还提供 100a 版本（无封装）。
供应链考量
由于可用组件短缺，一些电子行业领域的生产已受到影响。因此，在选择新技术产品的供应商时，务必考虑供应商按时履行订单的能力。为保障向客户的产品供应，安森美最近收购了 gt advanced technology (gtat)，以利用 gtat 在物流方面的专长和经验。安森美是目前为数不多具有端到端能力的大型 sic 供应商，包括晶锭批量生长、衬底制备、外延、器件制造、集成模块和分立式封装解决方案。为了满足 sic 应用的预期增长需求，安森美计划在 2024 年之前将衬底业务的产能提高数倍，并扩大公司的器件和模块产能，在未来实现进一步扩张。
总结
在不断发展的汽车、可再生能源和工业应用中，工程师将能够借助 sic 器件的特性，解决功率密度和散热方面的诸多挑战。凭借 1700v 系列 sic mosfet 和二极管，安森美满足了市场对具有更高击穿电压的器件的需求。此外，安森美还为新兴的太阳能、固态变压器和固态断路器应用开发了 2000v sic mosfet 技术。
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在广泛的工业系统（如电动汽车充电基础设施）和可再生能源系统（如太阳能光伏 (pv)）应用中，mosfet 技术、分立式封装和功率模块的进步有助于提高能效并降低成本。然而，平衡成本和性能对于设计人员来说是一项持续的挑战，必须在不增加太阳能逆变器的尺寸或散热成本的情况下，实现更高的功率。实现这一平衡非常有必要，因为降低充电成本将是提高电动汽车普及率的关键推动因素。
汽车的能效与车载电子器件的尺寸、重量和成本息息相关，这些都会影响车辆的行驶里程。在电动/混动汽车中使用 sic 取代 igbt 功率模块可显著改进性能，尤其是在主驱逆变器中，因为这有助于显著提高车辆的整体能效。轻型乘用车主要在低负载条件下工作，在低负载下，sic 的能效优势比 igbt 更加明显。车载充电器 (obc) 的尺寸和重量也会影响车辆行驶里程。因此，obc 必须设计得尽可能小，而 wbg 器件具有较高的开关频率，在这方面发挥着至关重要的作用。
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为了最大限度减少电源转换损耗，需要使用具有出色品质因数的半导体功率开关。电源应用中使用的硅基半导体器件（igbt、mosfet 和二极管）的性能改进，加上电源转换拓扑方面的创新，使能效大幅提升。然而，由于硅基半导体器件已接近其理论极限，在新应用中它们正逐渐被 sic 和氮化镓 (gan) 等宽禁带 (wbg) 半导体取代。
图 1：多种应用可从 sic 器件的特性中受益
对更高性能、更大功率密度和更优性能的需求不断挑战着 sic 的极限。得益于宽禁带特性，sic 能够承受比硅更高的电压（1700v 至 2000v）。同时，sic 本身还具有更高的电子迁移率和饱和速度。因此，它能够在明显更高的频率和结温下工作，对电源应用而言非常理想。此外，sic 器件的开关损耗相对更低，这有助于降低无源组件的尺寸、重量和成本。
图 2：sic 为电源系统带来诸多优势
sic 器件的导通损耗和开关损耗更低，因此降低了对散热的要求。再加上它能够在高达 175°c 的结温 (tj) 下工作，因而对风扇和散热片等散热措施的需求减少。系统尺寸、重量和成本也得以减小，并且在空间受限的应用中也能保障更高的可靠性。
需要更高电压
通过增加电压以减少电流，可减少在所需功率下的损耗。因此，在过去几年里，来自 pv 板的直流母线电压已从 600 v 提高到 1500 v。同样地，轻型乘用车中的 400 v 直流母线可提升到 800 v 母线（有时可提高到 1000 v）。过去，对于 400 v 母线电压，所用器件的额定电压为 750 v。现在，需要具有更高额定电压（1200 v 至 1700 v）的器件，以确保这些应用能够安全、可靠地工作。
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