碳化硅如何革新电气化趋势

文章来源：Power Electronics News

在相当长的一段时间内，硅一直是世界各地电力电子转换器所用器件的首选半导体材料，但 1891 年碳化硅 (SiC) 的出现带来了一种替代材料，它能减轻对硅的依赖。SiC 是宽禁带 (WBG) 半导体：将电子激发到导带所需的能量更高，并且这种宽禁带具备优于标准硅基器件的多种优势。

由于漏电流更小且带隙更大，器件可以在更宽的温度范围内工作，而不会发生故障或降低效率。它还具有化学惰性，所有这些优点进一步巩固了 SiC 在电力电子领域的重要性，并促成了它的快速普及。SiC 功率器件目前已广泛用于众多应用，例如电源、纯电动车电池充电的功率转换和主驱、工业电机驱动、太阳能和风能逆变器等可再生能源发电系统。

安森美(onsemi)的 1700-V EliteSiC MOSFET (NTH4L028N170M1) 提供更高击穿电压 (BV) SiC 方案，满足大功率工业应用的需求。使用两个 1700-V 雪崩额定值的 EliteSiC 肖特基二极管（NDSH25170A、NDSH10170A），设计人员便可实现高温高压下的稳定运行，同时提供 SiC 带来的高效率。

近日，在接受《Power Electronics News》采访时，安森美工业电源方案产品营销总监 Ajay Reddy Sattu 指出，安森美的 EliteSiC 技术专注于两个关键应用领域：能源基础设施和电动汽车。

Ajay Reddy Sattu
安森美工业电源方案产品营销总监

据 Sattu 说，最先是在能源基础设施中，双向供电将大规模储能系统与商业或电站规模的太阳能逆变器连接起来。

Sattu 说道：“双向供电的灵活性意味着往返效率是一个重要指标；因此对于电站规模的系统来说，即使效率略微提高 0.5%，也能省下大量能源。比如一个典型的太阳能应用，其中直流输出电压被升压到 1100-V ，然后逆变为三相交流电。如图 1 所示，升压级可以利用全 IGBT [Si IGBT + 二极管] 模块方案或混合 IGBT [Si IGBT + SiC 二极管] 方案或全 SiC [SiC MOSFET + SiC 二极管] 方案来实现。虽然混合IGBT方案已经很普遍，但随着未来几年 SiC 晶圆成本的降低，全 SiC 方案将对混合IGBT方案构成挑战。假设系统级条件为 500 V/25 A，Fsw 为 16 kHz，输出电压为 800 V，使用 600 µH 升压电感。”

从表 1 对混合 IGBT 方案和全 SiC 方案的比较可以明显看出，在相同条件下，全 SiC 方案的总损耗低得多，因此效率更高。Sattu 表示：“采用全 SiC 模块时，开关频率可以提高到 40 kHz 或更高，从而使升压电感可低至 200 µH，成本和重量得以降低。”

图1. 太阳能电池板应用


表1. 混合 IGBT 方案和全 SiC 方案的比较

第二个重点关注领域是电动汽车充电器 (EVC)。据 Sattu 说，根据电压输入和功率水平，当今的电动汽车充电器主要分为三级。

他指出：“1 级一般是采用家电插座输出的 120 V 单相交流电作为输入，最大额定电流为 15 至 20 A，充电速度非常慢。2 级采用交流 220 V 进行充电，通常部署在家庭、工作场所或公共场所，能够为汽车增加 12 至 80 英里/小时的里程，具体取决于功率输出水平。2 级充电器可提供高达 7.7 至 11 kW 的充电功率，使得普通电动汽车可在大约 2 至 8 小时内充满电。大得多的直流快速充电器为 3 级，仅部署在商业场所，接入当地电力提供商的三相电源。这些系统可以在 30 分钟内为电动汽车电池增加 100 英里以上的行驶里程。”

Sattu 补充道：“我们来看看图 2 所示的典型电动汽车充电站框图。以系统级的直流快速充电器为例。前端是一个三相功率因数校正 (PFC) 变换器，它可采用多种拓扑结构实现，如两电平、三电平、单向或双向。来自电网的电压电平 400 [欧盟] / 480 [美国] 升压至 700 到 1000 V。随后的隔离 DC/DC 将总线电压转换为所需的输出电压。输出电压与电动汽车电池电压（通常为 400 V 或 800 V）一致，需要覆盖电压充电曲线。因此，DC/DC 输出范围可能在 150 V 至 1500 V 范围内摆动。SiC MOSFET 的价值定位如下图所示。为了适应电动汽车电池的双向充电/放电过程和宽电压范围，IGBT 被 SiC MOSFET 方案所取代。”

图2. 电动汽车充电站框图

设计挑战

随着越来越多的设计人员正在或已经将 SiC 用于其设计中，对于 SiC 的质量、可靠性和供应情况是否长期有保障出现了一些担忧。随着 SiC MOSFET 的商用化和发展，栅极氧化层的可靠性也有了显著提高。

栅极氧化层和保护其免受高电场影响的方法仍然是器件开发的一个关键焦点领域。改进筛选测试以剔除随时间推移可能有参数漂移的芯片也很重要。

在加工过程中，栅极氧化层缺陷密度必须保持在最低水平，以使 SiC MOSFET 像 Si MOSFET 一样可靠。还必须开发创新的筛选方法，例如在最终电气测试中发现并消除可能的较弱器件。

Sattu 说：“安森美从两个方面考虑栅极氧化层的可靠性：本征和外部。首先，我们的EliteSiC 工艺流程经过了强化，在各个工序中加入了筛选措施，以筛选出由工艺可能引起的失效模式。其次，我们还实施晶圆级或封装级老化方法来消除早期失效。此外，作为本征可靠性研究的一部分，我们根据时间相关的介质击穿特性分析来评估 EliteSiC MOSFET 技术，确保器件在应用曲线所要求的范围之外也能正常运行。显然，氧化层厚度和沟道迁移率之间的权衡取舍限制了所使用的氧化层厚度和应用中施加的 VGS [15 V 或 18 V]，影响了长期可靠性。”

图 3 比较了不同 VGS 下的寿命性能，它比实际应用所采用的电压要高得多。据 Sattu 说，很明显，我们采用远超工业和汽车行业要求的测试条件进行了测试，并成功得到了不同工况下所对应的失效等级。

图3. VGS 与寿命性能的关系

VGS 远高于实际应用中使用的电压

宽禁带半导体潜力很大，但设计人员需要意识到使用这些材料带来的困难。以更高的开关频率和更大的功率密度工作，可以实现无源元件（电感和电容）的尺寸减小，创建更轻更小的系统。然而，预测这些较小的无源元件在较高频率下工作时的行为可能具有挑战性，并且可能会出现热量管理问题。宽禁带半导体的工作温度比硅基器件支持的温度高，因此需要精心设计。在整个设计阶段都要考虑更大的热应力，这可能会对系统的可靠性产生不利影响。再现或仿真让电子器件承受极端热应力的恶劣工作环境，是电子设计人员面临的主要问题之一。

热管理的目标是有效地从芯片和封装中散热。据 Sattu 说，有以下几种途径。

他说：“首先，可以采用铜基板方案以改善从器件结到散热器的热阻 Rth。这一点非常重要，尤其是对于 EliteSiC M3 技术平台而言，其具有出色的特定导通电阻。即使芯片很小，也可以通过使用铜基板，有效增加散热面积，并且减少热阻。虽然提供铜基板在工业应用中并不常见，但安森美为 F5 和 Q2 功率集成模块 [PIM] 提供了这种配置选项，而且目前正在开发使用铜基板的 F2 模块。在我们最大的 PIM 模块之一 F5 上采用了铜基板后，结果是 Rthjs 改善了 9.3%，如下图所示。此外，在同一 PCB 板上有多个 PIM 模块的应用中，采用铜基板可以改善翘曲。”

他补充道：“第二个改进来自于 SiC 器件烧结技术的实施。这已经成为汽车产品的主流，将来安森美的工业产品可能会采用这种芯片贴装(die-attach)工艺代替传统的焊接工艺，以进一步降低热阻。”

图4. 热性能

可再生能源

随着太阳能系统母线电压达到 1100 V 至 1500 V，可再生能源应用正稳步推进到更高的电压。客户要求击穿电压更高的 MOSFET 来支持这种改进。新型 1700-V EliteSiC MOSFET 的最大 VGS 范围为 -15 V/25 V，适合栅极电压上升至 -10 V 的快速开关应用，可提高系统的可靠性。

Sattu 说：“对于使用 1500 V 总线的发电站而言，为了满足诸如减少宇宙射线引起的失效、提高效率和提供储能功能之类的特殊要求，将需要采用高效率的功率半导体。我们的 SiC MOSFET 和二极管额定值 1.7 kV，可提升 1500 V 直流总线的系统性能并降低成本。这里的关键是达成类似于当今硅基方案的单通道成本或最大功率点跟踪。随着 SiC 制造成本的优化，基于 SiC 的 1.7 kV 升压方案将能显著降低系统成本。通过垂直整合，安森美既有技术实力又有供应链能力来成为这一领域的主要参与者。”

前景和下一步规划？

除了太阳能和电动汽车充电器之外，基于 SiC 的器件在其他几个应用领域也有显著优势，尤其是额定电压 650 V 的器件。

据 Sattu 说，数据中心电源就是这样一个例子。“如下图所示，新的 80 Plus Titanium 的要求和轻载效率的要求，使 SiC MOSFET 的使用方式发生了系统层面的转变。例如，当前端采用图腾柱 PFC 实现方案时，SiC MOSFET 将用于 PFC 的快速桥臂和 DC/DC 级的初级侧。这里的关键不仅仅是性能指标，还要满足成本指标。安森美目前正在开发新的 650-V M3 产品以取代现有的 M1 产品，进一步改善基准品质因数和成本状况。”

图5. 数据中心设计

Sattu 补充说：“另一种新兴应用是工业电机控制市场，其对高效率和出色的热管理、低 EMI、良好的可控性和高可靠性有着严格的要求。类似于能源基础设施市场，与 Si IGBT 相比，SiC 会为电机控制应用提供更好的价值定位。例如，对于伺服驱动器，在芯片电流额定值相似的情况下，脉冲电流额定值会更高，因而使用被动散热方案即可，并且有可能将驱动系统与电机本身集成。考虑到 90% 以上的操作是在恒速或低扭矩下进行的，使用 SiC 可以显著改善导通损耗。其他一些新兴应用，如固态断路器、固态变压器和燃料电池逆变器等，采用 EliteSiC 产品组合也能提供高效率和热优势。”

对于电动汽车和可再生能源系统，电源管理方案必须能够改善性能、节约成本并缩短开发时间。SiC 堆叠方法能够提高性能和降低价格，目前对于电动汽车、商业运输、可再生能源和存储系统的设计人员非常有利。

SiC 器件广泛应用于汽车行业，尤其是电动汽车和插电式混合动力汽车的制造。下一代电动汽车的动力系统必须能够提升车辆的效率（从而增加行驶里程）和电池充电速度。

SiC 逆变器被证明是解决这些问题的关键器件。基于 SiC 的逆变器可以实现高达 99% 的效率，而标准逆变器将能量从电池传输到电机的效率为 97% 至 98%。值得注意的是，小数点后一位或两位的效率提升能对整车产生巨大的积极影响。

由于能源需求的增加和可再生能源使用的扩大，微电网在减少温室气体排放和对化石燃料的依赖方面变得更加重要。然而，微电网系统不能采用硅基固态逆变器和开关，因为它们体积太大且效率低下。SiC 等宽禁带半导体具有更高的击穿电压和开关频率，是开发高效可靠微电网的关键因素。

由于来自非线性负载的非正弦电流，连接到网络的大量电子设备会在能量分配系统中产生大量谐波。采用合适的有源或无源滤波器是消除能量分配系统中的谐波失真的经典方法之一。通过将谐波补偿功能直接集成到转换器中，无需特殊滤波器，基于 SiC 的功率器件能够在非常高的开关电压和频率下工作，从而减小设计的尺寸、复杂度和成本。

虽然 SiC 的特性已经为人所知有一段时间了，但第一批 SiC 功率器件是最近才生产出来的，始于 21 世纪初，使用的是 100 mm 晶圆。几年前，大多数制造商转向 150 mm 晶圆，最近又转向大规模生产 200 mm（8 英寸）晶圆。

由于面临保持相同质量和良率的挑战，SiC 晶圆从 4 英寸到 6 英寸的转变并不顺利。材料的特性是 SiC 制造中最大的问题。由于硬度极高（几乎接近钻石），SiC 的晶体形成和加工需要更长的时间、更多的能量和更高的温度。此外，最常见的晶体结构 (4H-SiC) 具有高透明度和高折射率，因此难以分析材料有无可能影响外延生长或最终元件良率的表面缺陷。

结晶堆垛层错、表面颗粒、微管、凹坑、划痕和污渍是制造 SiC 基板时可能出现的主要缺陷。这些变数可能对 SiC 器件的性能产生负面影响；相比于 100 mm 晶圆，它们在 150 mm 晶圆上出现的频率更高。SiC 是世界上第三硬的复合材料，而且非常易碎，因此其制造存在周期时间、成本和切割性能方面的困难。向 200-mm SiC 晶圆的转变将使汽车和工业市场受益匪浅，因为它能加快这些市场的系统和产品的电气化进程。随着产量的提高，这对促进规模经济至关重要。