寬帶隙材料滿足 EV 功率和效率要求

碳化硅和氮化鎵技術(shù)在過去幾年中取得了巨大的發(fā)展，被證明是商業(yè)上可用的節(jié)能技術(shù)。來自領(lǐng)先半導(dǎo)體公司、大學(xué)和機(jī)構(gòu)的講師解釋了寬帶隙半導(dǎo)體如何實(shí)現(xiàn)清潔能源制造、高科技、創(chuàng)造就業(yè)和節(jié)能。

英飛凌科技 SiC 高級總監(jiān) Peter Friedrichs 談到了SiC功率器件技術(shù)，重點(diǎn)關(guān)注器件設(shè)計(jì)、可靠性和系統(tǒng)效益等方面。根據(jù) Friedrichs 的說法，SiC 的價(jià)格仍然比硅高很多，這主要是由于襯底(晶圓)制造工藝及其較高的缺陷密度。然而，通過使用多個(gè)基板并降低缺陷密度，英飛凌能夠降低整體生產(chǎn)成本。

“在給定區(qū)域中可以放置的單元越多或通道寬度越多，設(shè)備的效率就越高;這也意味著最好的容量利用率是受青睞的概念，”弗里德里希斯說。

第一步，現(xiàn)在已經(jīng)在英飛凌的工廠生產(chǎn)，通過創(chuàng)新的冷裂技術(shù)實(shí)現(xiàn)，該技術(shù)可以有效地處理晶體材料，并最大限度地減少資源浪費(fèi)。如今，傳統(tǒng)線鋸浪費(fèi)高達(dá) 75% 的原材料，而已經(jīng)部署的 SiC 晶錠切割能夠?qū)⒃牧蠐p失減少 50%。在不久的將來，英飛凌將使用這項(xiàng)技術(shù)來分割整個(gè) SiC 晶圓，從而使一個(gè)晶圓中的芯片數(shù)量增加一倍。

在 SiC 平面 MOSFET 中，溝道電阻通常非常高。這意味著只有在柵極氧化物上施加明顯更高的電場時(shí)，才能實(shí)現(xiàn)低導(dǎo)通電阻作為最終器件。今天，幾乎所有常見的 MOSFET 都有超過 3-MW/cm 的電場施加到柵極氧化物上。Planar 是一種相對簡單且便宜的加工工藝，可讓您在阻塞模式下實(shí)現(xiàn)對柵極氧化物的非常好的屏蔽。然而，它具有較低的通道遷移率和有限的器件面積縮小選項(xiàng)。另一方面是溝槽設(shè)計(jì)，它帶來了更低的導(dǎo)通電阻、更小的寄生電容和改進(jìn)的開關(guān)性能等好處。然而，缺點(diǎn)是由于較低的導(dǎo)通電阻而降低了短路容限。

“我們認(rèn)為碳化硅系統(tǒng)的優(yōu)勢和價(jià)值主張是驚人的和獨(dú)特的，包括太陽能逆變器——在功率處理能力顯著提高的同時(shí)保持體積和速率幾乎恒定——電機(jī)驅(qū)動(dòng)和電動(dòng)汽車充電，尤其是在超高達(dá) 350 kW 的大功率充電、非常高的電壓、非常高的電流和快速開關(guān)，”Friedrichs 說。

下一位演講者是 PowerAmerica 執(zhí)行董事兼 CTO Victor Veliadis，他談到了 SiC 的市場前景和一些關(guān)鍵應(yīng)用。功率器件是能夠切換高電流和阻斷高電壓的大型分立晶體管。SiC 和 GaN 的臨界電場和能隙遠(yuǎn)高于硅。因?yàn)閾舸╇妷号c臨界電場成反比，如果我們將臨界電場提高 10 倍，漂移層的厚度會(huì)變小 10 倍，從而降低我們正在制造的器件的電阻。對于特定的擊穿電壓，電阻將與臨界電場的三次方成反比。因此，如果我們有一個(gè)大 10 倍的臨界電場，該層的電阻貢獻(xiàn)將為 1，

“大的臨界電場使您能夠制造出層數(shù)比硅層薄得多的高壓器件，”Veliadis 說?！斑@降低了電阻、相關(guān)的傳導(dǎo)損耗和整體電容。這使您可以在更高的頻率和溫度下以更高的效率工作，并且簡化了許多磁路、體積和重量。”

雖然硅在高達(dá) 650 V 的較低電壓下仍然具有競爭力，但 SiC 和 GaN 在較高電壓下提供高效的高頻和大電流操作。Si、SiC 和 GaN 之間的大戰(zhàn)場在 650 V 左右展開，所有器件都適用于 400 V EV 總線電壓。

“看看一些機(jī)會(huì)，第一個(gè)是電動(dòng)汽車的汽車，”Veliadis 說。“用于數(shù)據(jù)中心的 UPS 是碳化硅可以發(fā)揮重要作用的另一個(gè)重要領(lǐng)域。其他應(yīng)用包括綠色基礎(chǔ)設(shè)施——基本上是光伏和風(fēng)能——電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、微電網(wǎng)和快速充電站。這就是需要 6.5 kV 和 10 kV MOSFET 的地方?！?

到 2025 年，SiC 器件市場預(yù)計(jì)將達(dá)到 32 億美元，多年來的復(fù)合年增長率驚人，高達(dá) 50%。

寬帶隙器件可以是橫向或縱向配置。漏極和柵極之間的距離越大，器件可以承受的擊穿電壓就越高。但是，如果我們將這個(gè)距離增加這么多，設(shè)備會(huì)在晶圓上占用過多的空間，從而增加整體成本。解決方案是垂直。我們不是在水平方向上設(shè)置一個(gè)大的柵極來進(jìn)行排水分離并占用晶圓上的空間，而是在垂直方向上這樣做。這就是絕大多數(shù) SiC 器件采用垂直配置的原因。

田納西州諾克斯維爾橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室 (ORNL) 車輛和移動(dòng)系統(tǒng)研究部門負(fù)責(zé)人 Burak Ozpineci 介紹了電動(dòng)汽車的電力電子設(shè)備?！拔覀?nèi)匀粚Ｗ⒂诩冸妱?dòng)汽車，并著眼于超越 200 英里范圍、具有 60 千瓦時(shí)或更高能量存儲(chǔ)的電動(dòng)汽車，”他說。“我們目前正在研究將電機(jī)和電力電子設(shè)備集成到底盤內(nèi)的方法?！?

ORNL 的路線圖定義了實(shí)現(xiàn) 2025 年目標(biāo)的途徑，其中包括提高功率密度、功率水平和車輛可靠性/壽命，將每千瓦的總成本減半。Ozpineci 介紹了 ORNL 在該領(lǐng)域開發(fā)的五個(gè)主要關(guān)鍵項(xiàng)目：

1. 尋找有助于我們實(shí)現(xiàn)更高功率密度的技術(shù)。這些技術(shù)包括新材料和基板(例如插入熱解石墨或直接鍵合銅的絕緣金屬基板)、用于散熱器優(yōu)化的遺傳算法以及減小直流母線電容器的體積。

1. 電動(dòng)機(jī)的新拓?fù)?。因?yàn)?ORNL 配備了超級計(jì)算機(jī)設(shè)施，所以它可以用來生成電機(jī)的高保真模型，例如外轉(zhuǎn)子電機(jī)，定子在里面，轉(zhuǎn)子在外面。

1. 外轉(zhuǎn)子電機(jī)將逆變器直接集成到電機(jī)中，省去了連接器和長電纜，并將電機(jī)尺寸減小多達(dá) 30%。這是第三個(gè)重點(diǎn)項(xiàng)目;也就是集成電驅(qū)動(dòng)。

1. 中型和重型電力驅(qū)動(dòng)。該項(xiàng)目旨在將研究領(lǐng)域從乘用車電驅(qū)動(dòng)和零部件技術(shù)擴(kuò)展到中型和重型電驅(qū)動(dòng)。這意味著更高電壓的電池(1,000–1,500 V)、更高的電流水平和更高的充電功率要求(大于 1 MW)。

1. 無線充電。目前，該研究的重點(diǎn)是 200 kW 以上的固定或靜態(tài)無線充電。目標(biāo)是達(dá)到 270 kW，這是只有 SiC 器件才能實(shí)現(xiàn)的功率水平，同時(shí)還考慮動(dòng)態(tài)無線充電。

北卡羅來納州立大學(xué)的 Iqbal Husain 談到了驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車高速電機(jī)的寬帶隙電力電子設(shè)備。電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)中使用的四個(gè)主要功率轉(zhuǎn)換領(lǐng)域是逆變器、DC/DC 轉(zhuǎn)換器、為低壓電子設(shè)備供電的轉(zhuǎn)換器和車載充電器。因此，SiC 器件提供了這個(gè)機(jī)會(huì)，可以在各種轉(zhuǎn)換器中使用更小、更冷和更輕的系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)更小的電池或更長的行駛里程。

“在所有這些領(lǐng)域，都有使用碳化硅器件的機(jī)會(huì)，因?yàn)樗鼈冊诳捎眯院蜕虡I(yè)生產(chǎn)方面的進(jìn)步和所處的階段，”侯賽因說?！拔覀兊淖罱K目標(biāo)是提高效率和功率密度?！?