SiC 推動電源應(yīng)用的創(chuàng)新

在過去的四十年里，由于采用了更好的設(shè)計和制造工藝，以及高質(zhì)量材料的可用性，基于硅技術(shù)的功率器件取得了重大進展。然而，大多數(shù)商用功率器件現(xiàn)在正在接近硅提供的理論性能極限，特別是在它們阻擋高壓的能力、在導通狀態(tài)下提供低電壓降以及它們在非常高的頻率下開關(guān)的能力方面。幾年來，許多專門從事電子設(shè)計領(lǐng)域的研究人員和公司一直致力于尋找硅的替代解決方案，以滿足最新一代電源應(yīng)用對效率、可靠性和低成本的要求。碳化硅 (SiC)是一種寬帶隙 (WBG) 材料，可提供遠超硅在電力應(yīng)用中提供的性能所需的卓越電氣和物理特性。更高的能帶隙使 WBG 材料在功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用中優(yōu)于硅?；? WBG 的設(shè)備，例如碳化硅，與同等的基于硅的設(shè)備相比，能夠以更小的尺寸承受更高的工作溫度。

GeneSiC Semiconductor 是一家由 Ranbir Singh 博士創(chuàng)立并擔任主席的公司，幾年前開始開發(fā) SiC 功率器件技術(shù)，成為該領(lǐng)域的先驅(qū)和世界領(lǐng)導者，擁有 26 項美國專利。GeneSiC 提供的 SiC 器件技術(shù)在實現(xiàn)眾多電力應(yīng)用(例如汽車、智能電網(wǎng)、工業(yè)、航空航天和國防、石油和天然氣、可再生能源、醫(yī)療和運輸行業(yè))的高效率方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

“GeneSiC 成立于 2004 年，很快就獲得了第一個關(guān)于碳化硅器件的專利。盡管我們的很多資金實際上來自美國政府，用于下一代創(chuàng)新 SiC 技術(shù)的開發(fā)，但我們不希望僅僅被視為一個利基參與者。我們是一個非常專注于技術(shù)的團隊，我們希望以一流的性能和可靠性為我們的客戶提供 SiC 功率器件，并提供創(chuàng)新的技術(shù)、最高的質(zhì)量、具有競爭力的大批量周轉(zhuǎn)價格和較短的交貨時間。我們提供全面的產(chǎn)品組合，包括 100 多種碳化硅產(chǎn)品，并提供強大的產(chǎn)品和客戶支持”，Ranbir Singh 博士說。

碳化硅的好處

作為寬帶隙半導體，碳化硅表現(xiàn)出比硅更大的帶隙能量(3.2eV，約為硅的三倍，等于1.1eV)。因為需要更多的能量來激發(fā)半導體導電帶中的價電子，所以可以實現(xiàn)更高的擊穿電壓、更高的效率和更好的高溫熱穩(wěn)定性。SiC MOSFET 的主要優(yōu)點是低漏源導通電阻 (R DS(ON))，在相同擊穿電壓下比硅器件低300-400倍。因此，基于 SiC 的功率器件能夠提供更高的功率水平，從而最大限度地減少功率損耗、提高效率并減少組件占位面積?；?SiC 的器件提供高電熱導率和極高的開關(guān)速度。低輸出電容和低 R DS(ON)使 SiC 器件適用于開關(guān)設(shè)計，例如電源、三相逆變器、放大器和電壓轉(zhuǎn)換器(AC-DC 和 DC-DC)。使用 SiC 器件還可以顯著節(jié)省成本并減小許多開關(guān)應(yīng)用中使用的磁性元件(變壓器、電感器、電感器)的尺寸。

熱導率是一個額外的關(guān)鍵特性，它表明提取半導體器件中功率損耗產(chǎn)生的熱量是多么容易，從而防止器件的工作溫度危險地升高。對于導熱率低的半導體器件，如硅，更難保持較低的工作溫度。為此，引入了一種特定的操作模式，稱為降額，其中引入了部分性能下降，以免在高溫下?lián)p害組件。相反，高熱導率確保設(shè)備可以充分冷卻，而不會導致性能下降。碳化硅能夠在至少 200°C 的溫度下工作，這比硅 MOS 器件的典型結(jié)溫高 50°C。對于許多 SiC 器件，該溫度可高達 400°C 或更高。這一特性使 SiC 功率器件即使在高溫下也能高效運行，避免性能降級和平均故障時間 (MTTF) 的減少，同時提高質(zhì)量和可靠性。

“在熱管理方面，我想說目前我們的產(chǎn)品都是采用非常先進的熱管理封裝技術(shù)制造的。例如，我們所有的產(chǎn)品，除了 DO-214 (SMD) 封裝外，都是用 Ag-sintering 制成的?！盧anbir Singh 博士說。

銀燒結(jié)是一種芯片貼裝和鍵合技術(shù)，可提供無空隙且牢固的鍵合，具有出色的導熱性和導電性。Ag-sintering能夠?qū)㈦娮悠骷慕Y(jié)溫(Tj)降低100℃。

顯示了 N 溝道增強模式 GeneSiC 碳化硅 MOSFET。該器件具有 V DS =1.2kV、R DS(ON) =20mΩ 和 I D =65A，適用于電力應(yīng)用，例如：電動汽車快速充電、太陽能逆變器、智能電網(wǎng)、工業(yè)逆變器和電機驅(qū)動、交通運輸和更多的。

碳化硅設(shè)計考慮

即使硅能夠滿足電力電子領(lǐng)域當前的大部分需求，其化學物理特性也限制了其在高溫和高工作電壓下的性能。為確保器件在這些條件下正常運行，GeneSiC 提供基于 SiC 的器件，例如 MOSFET 晶體管、肖特基二極管(包括具有合并引腳肖特基或 MPS 設(shè)計的器件)、PiN 二極管和結(jié)型晶體管。在過去的幾年里，碳化硅器件的結(jié)構(gòu)和制造工藝得到了完善，解決了一些操作和可靠性方面的問題，包括與 SiC MOSFET 中柵極氧化物的可靠性有關(guān)的問題。

“關(guān)于柵極氧化物的可靠性問題，GeneSiC 的 SiC MOSFET 的設(shè)計最大柵極氧化物場遠低于每厘米 4 兆伏。關(guān)于氧化物可靠性的第二個方面是柵極氧化物-SiC 界面的質(zhì)量。用于 GeneSiC 的 SiC MOSFET 制造的柵極氧化工藝確保了非常低的缺陷密度，無論是在柵極氧化物內(nèi)還是在柵極氧化物-SiC 界面處，”Ranbir Singh 博士說。

與SiC MOSFET 晶體管相關(guān)的另一個重要方面與內(nèi)置體二極管的穩(wěn)定性有關(guān)。在傳統(tǒng)的 H 橋功率轉(zhuǎn)換電路中，MOSFET 體二極管在續(xù)流運行期間傳導額定電流。由于體二極管的工作，來自幾家領(lǐng)先器件供應(yīng)商的 SiC MOSFET 導致器件特性顯著下降。

“因此，這個(體二極管穩(wěn)定性)方面與 SiC 材料、起始 SiC 襯底晶圓中的某些缺陷以及如何生長碳化硅外延層有關(guān);層的設(shè)計方式和使用的生長技術(shù)決定了體二極管的穩(wěn)定性”，Ranbir Singh 博士說。

有時，很容易將組件的可靠性與其穩(wěn)健性相混淆。后者是一個參數(shù)，用于證明設(shè)備可以承受的電氣濫用程度，即使是很短的時間。有些操作可以很好地執(zhí)行，例如使用肖特基二極管，而其他操作則不能，因為它們無法承受雪崩擊穿條件下的操作。.

“在 GeneSiC，我們確保我們所有的設(shè)備都保證達到業(yè)內(nèi)最高的穩(wěn)健性水平。我們的 SiC MPS TM整流器和 MOSFET 經(jīng)過 100% 雪崩測試。我們的 SiC MOSFET 在 RDS ON最低的情況下具有最長的短路時間，因此應(yīng)該在這里找到一個很好的折衷方案?！盧anbir Singh 博士說。