碳化硅與硅相比有何優(yōu)勢？適合哪些應(yīng)用？

文章來源：電子技術(shù)設(shè)計

作者：廖均

電力電子朝向碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)等寬能隙(WBG)材料發(fā)展，雖然硅仍然占據(jù)市場主流，但SiC與GaN器件很快就會催生新一代更高效的技術(shù)解決方案。

據(jù)總部位于法國的市場研究機構(gòu)Yole Développement估計，到2025年SiC器件市場營收將占據(jù)整體電力電子市場的10%以上，GaN器件的營收比例會超過2%。

SiC組件的知名供貨商包括意法半導(dǎo)體(ST)、Cree/Wolfspeed、羅姆、英飛凌、安森美半導(dǎo)體(On Semiconductor)以及三菱(Mitsubishi Electric)。

Cree推出了首款商用900V SiC功率MOSFET以及Wolfspeed 650V碳化硅MOSFET產(chǎn)品組合；Microchip和ROHM均已發(fā)布SiC MOSFET和二極管；英飛凌在推出了8款650V CoolSiC MOSFET器件......由此看出各大廠商在SiC材料方面均有所布局并有著自己的發(fā)展策略。

碳化硅較硅有何性能優(yōu)勢？

硅早已是大多數(shù)電子應(yīng)用中的關(guān)鍵半導(dǎo)體材料，但與SiC相比，則顯得效率低下。SiC現(xiàn)在已開始被多種應(yīng)用采納，特別是電動汽車，以應(yīng)對開發(fā)高效率和高功率器件所面臨的能源和成本挑戰(zhàn)。

SiC由純硅和碳組成，與硅相比具有三大優(yōu)勢：更高的臨界雪崩擊穿場強、更大的導(dǎo)熱系數(shù)和更寬的禁帶。

SiC具有3電子伏特(eV)的寬禁帶，可以承受比硅大8倍的電壓梯度而不會發(fā)生雪崩擊穿。禁帶越寬，在高溫下的漏電流就越小，效率也越高。而導(dǎo)熱系數(shù)越大，電流密度就越高。

SiC襯底具有更高的電場強度，因而可以使用更薄的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，其厚度可能僅為硅外延層的十分之一。此外，SiC的摻雜濃度比硅高2倍，因此器件的表面電阻降低了，傳導(dǎo)損耗也顯著減少。

SiC現(xiàn)已公認為是一種能夠可靠替代硅的技術(shù)。許多電源模塊和電源逆變器制造商已在其未來產(chǎn)品路線圖中規(guī)劃使用SiC技術(shù)。

這種寬禁帶技術(shù)大幅降低了特定負載下的開關(guān)損耗和傳導(dǎo)損耗，改善了散熱管理，提供了前所未有的能效。在功率電子系統(tǒng)中，散熱設(shè)計至關(guān)重要，它能確保高能量密度，同時縮小電路尺寸。在這些應(yīng)用中，SiC因其3倍于硅半導(dǎo)體的導(dǎo)熱系數(shù)而成為理想的半導(dǎo)體材料。

SiC技術(shù)適用于功率較高的項目，例如電動機、驅(qū)動器和逆變器。電驅(qū)動器制造商正在開發(fā)新的驅(qū)動電路，以滿足轉(zhuǎn)換器對更高開關(guān)頻率的需求，并采用更復(fù)雜巧妙的拓撲結(jié)構(gòu)來減小電磁干擾(EMI)。

SiC器件所需的外部元器件更少，系統(tǒng)布局更可靠，制造成本也更低。由于效率更高、外形尺寸更小以及重量更輕，智能設(shè)計的冷卻要求也相應(yīng)降低。

碳化硅的應(yīng)用

電動汽車/混動汽車

幾家汽車制造商運用全新的動力概念，在市場上率先推出了混動和電動汽車。這些車輛包含新的器件和系統(tǒng)，例如為發(fā)動機提供動力的變頻器（最高達300kW）、3.6W至22kW車載電池充電器、3.6kW至22kW感應(yīng)充電器（無線充電）、高達5kW的DC/DC轉(zhuǎn)換器，以及用于空調(diào)和動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等輔助負荷的逆變器。

新型高壓電池是混動和電動汽車發(fā)展的主要障礙之一。利用SiC，汽車制造商可以縮小電池尺寸，同時降低電動汽車的總成本。

此外，由于SiC具有良好的散熱性能，因此制造商還可以降低冷卻動力總成器件的成本。這有助于減小電動汽車的重量并降低成本。

電動汽車/混動汽車也是安森美半導(dǎo)體的SiC戰(zhàn)略重點市場之一。在近日舉辦的“安森美半導(dǎo)體碳化硅策略及方案”在線媒體交流會上，該公司電源方案部產(chǎn)品市場經(jīng)理王利民介紹說，

電動汽車是碳化硅的主要驅(qū)動力之一，將占整個碳化硅市場容量約60%。碳化硅器件應(yīng)用于主驅(qū)、OBC和DC-DC，可大幅度提高效率，因此能給電動汽車增加續(xù)航能力。基于這些優(yōu)點，目前幾乎所有做主驅(qū)逆變器的廠家都以研究碳化硅做主驅(qū)為方向。

車載充電器包含各種功率轉(zhuǎn)換器件，例如二極管和MOSFET。其目標(biāo)是通過使用小尺寸無源元件，使功率電子電路體積變小，從而將它們?nèi)考稍谝黄稹?

如果所用的半導(dǎo)體器件能夠用高開關(guān)頻率在相同的電路中進行控制，就可以實現(xiàn)這個目標(biāo)。但是，由于硅的散熱性能不夠好，高開關(guān)頻率解決方案并不適用。SiC MOSFET為此類應(yīng)用提供了理想的解決方案。

目前絕大部分OBC和DC-DC廠家是使用碳化硅器件作為高效、高壓和高頻率的功率器件。

王利民舉例說，

美國加利福尼亞州已簽署行政命令，到2030年實現(xiàn)500萬輛電動車上路的目標(biāo)；

歐洲也有電動汽車全部替換燃油車的時間表；

而在中國各大一線城市，電動汽車可以零費用上牌。

這一系列政策都推動了電動汽車的大幅增長，電動汽車對于高壓、高頻率和高效率器件的需求也推動了碳化硅市場的大幅增長。

5G電源和開關(guān)電源

5G電源和開關(guān)電源（SMPS）領(lǐng)域是安森美半導(dǎo)體的第二個碳化硅戰(zhàn)略市場。

傳統(tǒng)的開關(guān)電源領(lǐng)域是Boost及高壓電源，對功率密度一直都有很高的要求，從最早通信電源的金標(biāo)、銀標(biāo)，到現(xiàn)在的5G通信電源和云數(shù)據(jù)中心電源，這些都對高能效有很高的要求。

“碳化硅器件沒有反向恢復(fù)，使得電源能效非常高，可達到98%。電源和5G電源是碳化硅器件最傳統(tǒng)、也是目前相對較大的一個市場?！蓖趵裾f。

電動汽車充電樁

電動汽車充電樁也是我們碳化硅戰(zhàn)略市場之一。充電樁實現(xiàn)的方案有很多種，現(xiàn)在消費者最感興趣的就是直流快充。

直流快充的充電樁需要非常大的充電功率以及非常高的充電效率，這些都需要通過高電壓來實現(xiàn)。

在電動汽車充電樁的應(yīng)用里，碳化硅無論是在Boost，還是輸出的二極管，目前有很多使用主開關(guān)的碳化硅MOSFET電動汽車充電樁方案，其應(yīng)用前景非常廣闊。

太陽能逆變器

在太陽能逆變器領(lǐng)域，碳化硅二極管的使用量也非常巨大。太陽能逆變器的安裝量每年持續(xù)增長，預(yù)計未來10~15年會有15%的能源（目前是1%）來自太陽能。太陽能是免費的，且取之不盡用之不竭。國內(nèi)已出臺相關(guān)政策，個人可以把太陽能電力賣給國家電網(wǎng)。

“碳化硅半導(dǎo)體可應(yīng)用于太陽能逆變器的Boost。隨著太陽能逆變器成本的優(yōu)化，不少廠家會使用碳化硅的MOSFET作為主逆變的器件，用來替換原來的三電平（逆變器）控制復(fù)雜電路。”王利民說，“在政策驅(qū)動方面，歐盟有20-20-20目標(biāo)，即到2020年，能效提高20%，二氧化碳排放量降低20%，可再生能源達到20%。NEA也設(shè)定了清潔能源目標(biāo)，到2030年要滿足中國20%的能源需求?！?

結(jié)語

長期可靠性已成為SiC MOSFET的標(biāo)志。功率半導(dǎo)體制造商接下來的任務(wù)是開發(fā)多芯片功率模塊或混合模塊，將傳統(tǒng)的硅晶體管和SiC二極管集成在同一物理器件上。由于具有較高的擊穿電壓，這些模塊可以在更高的溫度下工作。它們還能提供高效率，同時進一步縮小設(shè)備尺寸。

從目前的市場價格來看，SiC MOSFET相較于硅IGBT具有系統(tǒng)級優(yōu)勢，而且，隨著150?毫米晶圓制造被廣泛采用，預(yù)計SiC MOSFET的價格還將繼續(xù)下降。

一些制造商已經(jīng)開始生產(chǎn)200毫米（8英寸）晶圓。隨著晶圓尺寸的增加，每個裸片的成本將會降低，但良率也可能降低。因此，制造商必須不斷改進工藝。

然而，由于SiC器件的制造工藝成本較高，并且缺乏量產(chǎn)，因而很難被廣泛使用。SiC器件的批量生產(chǎn)需要精心設(shè)計的穩(wěn)健架構(gòu)和制造工藝，例如在晶圓測試中，要求被測試的器件尺寸更小并且工作在較高的電流和電壓范圍內(nèi)。

一旦解決了這些難題，OEM設(shè)計師將會采用更多的SiC器件，充分利用其良好的電氣特性，大幅降低系統(tǒng)成本并提高整體效率。

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