碳化硅如何革新電氣化趨勢

在相當長(cháng)的一段時(shí)間內，硅一直是世界各地電力電子轉換器所用器件的首選半導體材料，但 1891 年碳化硅 (SiC) 的出現帶來(lái)了一種替代材料，它能減輕對硅的依賴(lài)。SiC 是寬禁帶 (WBG) 半導體：將電子激發(fā)到導帶所需的能量更高，并且這種寬禁帶具備優(yōu)于標準硅基器件的多種優(yōu)勢。

由于漏電流更小且帶隙更大，器件可以在更寬的溫度范圍內工作，而不會(huì )發(fā)生故障或降低效率。它還具有化學(xué)惰性，所有這些優(yōu)點(diǎn)進(jìn)一步鞏固了 SiC 在電力電子領(lǐng)域的重要性，并促成了它的快速普及。SiC 功率器件目前已廣泛用于眾多應用，例如電源、純電動(dòng)車(chē)電池充電的功率轉換和主驅、工業(yè)電機驅動(dòng)、太陽(yáng)能和風(fēng)能逆變器等可再生能源發(fā)電系統。

安森美(onsemi)的 1700-V EliteSiC MOSFET (NTH4L028N170M1) 提供更高擊穿電壓 (BV) SiC 方案，滿(mǎn)足大功率工業(yè)應用的需求。使用兩個(gè) 1700-V 雪崩額定值的 EliteSiC 肖特基二極管（NDSH25170A、NDSH10170A），設計人員便可實(shí)現高溫高壓下的穩定運行，同時(shí)提供 SiC 帶來(lái)的高效率。

近日，在接受《Power Electronics News》采訪(fǎng)時(shí)，安森美工業(yè)電源方案產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)總監 Ajay Reddy Sattu 指出，安森美的 EliteSiC 技術(shù)專(zhuān)注于兩個(gè)關(guān)鍵應用領(lǐng)域：能源基礎設施和電動(dòng)汽車(chē)。

Ajay Reddy Sattu

安森美工業(yè)電源方案產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)總監

據 Sattu 說(shuō)，最先是在能源基礎設施中，雙向供電將大規模儲能系統與商業(yè)或電站規模的太陽(yáng)能逆變器連接起來(lái)。

Sattu 說(shuō)道：“雙向供電的靈活性意味著(zhù)往返效率是一個(gè)重要指標；因此對于電站規模的系統來(lái)說(shuō)，即使效率略微提高 0.5%，也能省下大量能源。比如一個(gè)典型的太陽(yáng)能應用，其中直流輸出電壓被升壓到 1100-V ，然后逆變?yōu)槿嘟涣麟?。如圖 1 所示，升壓級可以利用全 IGBT [Si IGBT + 二極管] 模塊方案或混合 IGBT [Si IGBT + SiC 二極管] 方案或全 SiC [SiC MOSFET + SiC 二極管] 方案來(lái)實(shí)現。雖然混合IGBT方案已經(jīng)很普遍，但隨著(zhù)未來(lái)幾年 SiC 晶圓成本的降低，全 SiC 方案將對混合IGBT方案構成挑戰。假設系統級條件為 500 V/25 A，Fsw 為 16 kHz，輸出電壓為 800 V，使用 600 μH 升壓電感?！?/p>

從表 1 對混合 IGBT 方案和全 SiC 方案的比較可以明顯看出，在相同條件下，全 SiC 方案的總損耗低得多，因此效率更高。Sattu 表示：“采用全 SiC 模塊時(shí)，開(kāi)關(guān)頻率可以提高到 40 kHz 或更高，從而使升壓電感可低至 200 μH，成本和重量得以降低?！?/p>

圖1. 太陽(yáng)能電池板應用

表1. 混合 IGBT 方案和全 SiC 方案的比較

第二個(gè)重點(diǎn)關(guān)注領(lǐng)域是電動(dòng)汽車(chē)充電器 (EVC)。據 Sattu 說(shuō)，根據電壓輸入和功率水平，當今的電動(dòng)汽車(chē)充電器主要分為三級。

他指出：“1 級一般是采用家電插座輸出的 120 V 單相交流電作為輸入，最大額定電流為 15 至 20 A，充電速度非常慢。2 級采用交流 220 V 進(jìn)行充電，通常部署在家庭、工作場(chǎng)所或公共場(chǎng)所，能夠為汽車(chē)增加 12 至 80 英里/小時(shí)的里程，具體取決于功率輸出水平。2 級充電器可提供高達 7.7 至 11 kW 的充電功率，使得普通電動(dòng)汽車(chē)可在大約 2 至 8 小時(shí)內充滿(mǎn)電。大得多的直流快速充電器為 3 級，僅部署在商業(yè)場(chǎng)所，接入當地電力提供商的三相電源。這些系統可以在 30 分鐘內為電動(dòng)汽車(chē)電池增加 100 英里以上的行駛里程?！?/p>

Sattu 補充道：“我們來(lái)看看圖 2 所示的典型電動(dòng)汽車(chē)充電站框圖。以系統級的直流快速充電器為例。前端是一個(gè)三相功率因數校正 (PFC) 變換器，它可采用多種拓撲結構實(shí)現，如兩電平、三電平、單向或雙向。來(lái)自電網(wǎng)的電壓電平 400 [歐盟] / 480 [美國] 升壓至 700 到 1000 V。隨后的隔離 DC/DC 將總線(xiàn)電壓轉換為所需的輸出電壓。輸出電壓與電動(dòng)汽車(chē)電池電壓（通常為 400 V 或 800 V）一致，需要覆蓋電壓充電曲線(xiàn)。因此，DC/DC 輸出范圍可能在 150 V 至 1500 V 范圍內擺動(dòng)。SiC MOSFET 的價(jià)值定位如下圖所示。為了適應電動(dòng)汽車(chē)電池的雙向充電/放電過(guò)程和寬電壓范圍，IGBT 被 SiC MOSFET 方案所取代?！?/p>

圖2. 電動(dòng)汽車(chē)充電站框圖

設計挑戰

隨著(zhù)越來(lái)越多的設計人員正在或已經(jīng)將 SiC 用于其設計中，對于 SiC 的質(zhì)量、可靠性和供應情況是否長(cháng)期有保障出現了一些擔憂(yōu)。隨著(zhù) SiC MOSFET 的商用化和發(fā)展，柵極氧化層的可靠性也有了顯著(zhù)提高。

柵極氧化層和保護其免受高電場(chǎng)影響的方法仍然是器件開(kāi)發(fā)的一個(gè)關(guān)鍵焦點(diǎn)領(lǐng)域。改進(jìn)篩選測試以剔除隨時(shí)間推移可能有參數漂移的芯片也很重要。

在加工過(guò)程中，柵極氧化層缺陷密度必須保持在最低水平，以使 SiC MOSFET 像 Si MOSFET 一樣可靠。還必須開(kāi)發(fā)創(chuàng )新的篩選方法，例如在最終電氣測試中發(fā)現并消除可能的較弱器件。

Sattu 說(shuō)：“安森美從兩個(gè)方面考慮柵極氧化層的可靠性：本征和外部。首先，我們的EliteSiC 工藝流程經(jīng)過(guò)了強化，在各個(gè)工序中加入了篩選措施，以篩選出由工藝可能引起的失效模式。其次，我們還實(shí)施晶圓級或封裝級老化方法來(lái)消除早期失效。此外，作為本征可靠性研究的一部分，我們根據時(shí)間相關(guān)的介質(zhì)擊穿特性分析來(lái)評估 EliteSiC MOSFET 技術(shù)，確保器件在應用曲線(xiàn)所要求的范圍之外也能正常運行。顯然，氧化層厚度和溝道遷移率之間的權衡取舍限制了所使用的氧化層厚度和應用中施加的 VGS [15 V 或 18 V]，影響了長(cháng)期可靠性?！?/p>

圖 3 比較了不同 VGS 下的壽命性能，它比實(shí)際應用所采用的電壓要高得多。據 Sattu 說(shuō)，很明顯，我們采用遠超工業(yè)和汽車(chē)行業(yè)要求的測試條件進(jìn)行了測試，并成功得到了不同工況下所對應的失效等級。

圖3. VGS 與壽命性能的關(guān)系

VGS 遠高于實(shí)際應用中使用的電壓

寬禁帶半導體潛力很大，但設計人員需要意識到使用這些材料帶來(lái)的困難。以更高的開(kāi)關(guān)頻率和更大的功率密度工作，可以實(shí)現無(wú)源元件（電感和電容）的尺寸減小，創(chuàng )建更輕更小的系統。然而，預測這些較小的無(wú)源元件在較高頻率下工作時(shí)的行為可能具有挑戰性，并且可能會(huì )出現熱量管理問(wèn)題。寬禁帶半導體的工作溫度比硅基器件支持的溫度高，因此需要精心設計。在整個(gè)設計階段都要考慮更大的熱應力，這可能會(huì )對系統的可靠性產(chǎn)生不利影響。再現或仿真讓電子器件承受極端熱應力的惡劣工作環(huán)境，是電子設計人員面臨的主要問(wèn)題之一。

熱管理的目標是有效地從芯片和封裝中散熱。據 Sattu 說(shuō)，有以下幾種途徑。

他說(shuō)：“首先，可以采用銅基板方案以改善從器件結到散熱器的熱阻 Rth。這一點(diǎn)非常重要，尤其是對于 EliteSiC M3 技術(shù)平臺而言，其具有出色的特定導通電阻。即使芯片很小，也可以通過(guò)使用銅基板，有效增加散熱面積，并且減少熱阻。雖然提供銅基板在工業(yè)應用中并不常見(jiàn)，但安森美為 F5 和 Q2 功率集成模塊 [PIM] 提供了這種配置選項，而且目前正在開(kāi)發(fā)使用銅基板的 F2 模塊。在我們最大的 PIM 模塊之一 F5 上采用了銅基板后，結果是 Rthjs 改善了 9.3%，如下圖所示。此外，在同一 PCB 板上有多個(gè) PIM 模塊的應用中，采用銅基板可以改善翹曲?！?/p>

他補充道：“第二個(gè)改進(jìn)來(lái)自于 SiC 器件燒結技術(shù)的實(shí)施。這已經(jīng)成為汽車(chē)產(chǎn)品的主流，將來(lái)安森美的工業(yè)產(chǎn)品可能會(huì )采用這種芯片貼裝(die-attach)工藝代替傳統的焊接工藝，以進(jìn)一步降低熱阻?！?/p>

圖4. 熱性能

可再生能源

隨著(zhù)太陽(yáng)能系統母線(xiàn)電壓達到 1100 V 至 1500 V，可再生能源應用正穩步推進(jìn)到更高的電壓?？蛻?hù)要求擊穿電壓更高的 MOSFET 來(lái)支持這種改進(jìn)。新型 1700-V EliteSiC MOSFET 的最大 VGS 范圍為 -15 V/25 V，適合柵極電壓上升至 -10 V 的快速開(kāi)關(guān)應用，可提高系統的可靠性。

Sattu 說(shuō)：“對于使用 1500 V 總線(xiàn)的發(fā)電站而言，為了滿(mǎn)足諸如減少宇宙射線(xiàn)引起的失效、提高效率和提供儲能功能之類(lèi)的特殊要求，將需要采用高效率的功率半導體。我們的 SiC MOSFET 和二極管額定值 1.7 kV，可提升 1500 V 直流總線(xiàn)的系統性能并降低成本。這里的關(guān)鍵是達成類(lèi)似于當今硅基方案的單通道成本或最大功率點(diǎn)跟蹤。隨著(zhù) SiC 制造成本的優(yōu)化，基于 SiC 的 1.7 kV 升壓方案將能顯著(zhù)降低系統成本。通過(guò)垂直整合，安森美既有技術(shù)實(shí)力又有供應鏈能力來(lái)成為這一領(lǐng)域的主要參與者?！?/p>

前景和下一步規劃？

除了太陽(yáng)能和電動(dòng)汽車(chē)充電器之外，基于 SiC 的器件在其他幾個(gè)應用領(lǐng)域也有顯著(zhù)優(yōu)勢，尤其是額定電壓 650 V 的器件。

據 Sattu 說(shuō)，數據中心電源就是這樣一個(gè)例子?！叭缦聢D所示，新的 80 Plus Titanium 的要求和輕載效率的要求，使 SiC MOSFET 的使用方式發(fā)生了系統層面的轉變。例如，當前端采用圖騰柱 PFC 實(shí)現方案時(shí)，SiC MOSFET 將用于 PFC 的快速橋臂和 DC/DC 級的初級側。這里的關(guān)鍵不僅僅是性能指標，還要滿(mǎn)足成本指標。安森美目前正在開(kāi)發(fā)新的 650-V M3 產(chǎn)品以取代現有的 M1 產(chǎn)品，進(jìn)一步改善基準品質(zhì)因數和成本狀況?！?/p>

圖5. 數據中心設計

Sattu 補充說(shuō)：“另一種新興應用是工業(yè)電機控制市場(chǎng)，其對高效率和出色的熱管理、低 EMI、良好的可控性和高可靠性有著(zhù)嚴格的要求。類(lèi)似于能源基礎設施市場(chǎng)，與 Si IGBT 相比，SiC 會(huì )為電機控制應用提供更好的價(jià)值定位。例如，對于伺服驅動(dòng)器，在芯片電流額定值相似的情況下，脈沖電流額定值會(huì )更高，因而使用被動(dòng)散熱方案即可，并且有可能將驅動(dòng)系統與電機本身集成?？紤]到 90% 以上的操作是在恒速或低扭矩下進(jìn)行的，使用 SiC 可以顯著(zhù)改善導通損耗。其他一些新興應用，如固態(tài)斷路器、固態(tài)變壓器和燃料電池逆變器等，采用 EliteSiC 產(chǎn)品組合也能提供高效率和熱優(yōu)勢?！?/p>

對于電動(dòng)汽車(chē)和可再生能源系統，電源管理方案必須能夠改善性能、節約成本并縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間。SiC 堆疊方法能夠提高性能和降低價(jià)格，目前對于電動(dòng)汽車(chē)、商業(yè)運輸、可再生能源和存儲系統的設計人員非常有利。

SiC 器件廣泛應用于汽車(chē)行業(yè)，尤其是電動(dòng)汽車(chē)和插電式混合動(dòng)力汽車(chē)的制造。下一代電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力系統必須能夠提升車(chē)輛的效率（從而增加行駛里程）和電池充電速度。

SiC 逆變器被證明是解決這些問(wèn)題的關(guān)鍵器件?；?SiC 的逆變器可以實(shí)現高達 99% 的效率，而標準逆變器將能量從電池傳輸到電機的效率為 97% 至 98%。值得注意的是，小數點(diǎn)后一位或兩位的效率提升能對整車(chē)產(chǎn)生巨大的積極影響。

由于能源需求的增加和可再生能源使用的擴大，微電網(wǎng)在減少溫室氣體排放和對化石燃料的依賴(lài)方面變得更加重要。然而，微電網(wǎng)系統不能采用硅基固態(tài)逆變器和開(kāi)關(guān)，因為它們體積太大且效率低下。SiC 等寬禁帶半導體具有更高的擊穿電壓和開(kāi)關(guān)頻率，是開(kāi)發(fā)高效可靠微電網(wǎng)的關(guān)鍵因素。

由于來(lái)自非線(xiàn)性負載的非正弦電流，連接到網(wǎng)絡(luò )的大量電子設備會(huì )在能量分配系統中產(chǎn)生大量諧波。采用合適的有源或無(wú)源濾波器是消除能量分配系統中的諧波失真的經(jīng)典方法之一。通過(guò)將諧波補償功能直接集成到轉換器中，無(wú)需特殊濾波器，基于 SiC 的功率器件能夠在非常高的開(kāi)關(guān)電壓和頻率下工作，從而減小設計的尺寸、復雜度和成本。

雖然 SiC 的特性已經(jīng)為人所知有一段時(shí)間了，但第一批 SiC 功率器件是最近才生產(chǎn)出來(lái)的，始于 21 世紀初，使用的是 100 mm 晶圓。幾年前，大多數制造商轉向 150 mm 晶圓，最近又轉向大規模生產(chǎn) 200 mm（8 英寸）晶圓。

由于面臨保持相同質(zhì)量和良率的挑戰，SiC 晶圓從 4 英寸到 6 英寸的轉變并不順利。材料的特性是 SiC 制造中最大的問(wèn)題。由于硬度極高（幾乎接近鉆石），SiC 的晶體形成和加工需要更長(cháng)的時(shí)間、更多的能量和更高的溫度。此外，最常見(jiàn)的晶體結構 (4H-SiC) 具有高透明度和高折射率，因此難以分析材料有無(wú)可能影響外延生長(cháng)或最終元件良率的表面缺陷。

結晶堆垛層錯、表面顆粒、微管、凹坑、劃痕和污漬是制造 SiC 基板時(shí)可能出現的主要缺陷。這些變數可能對 SiC 器件的性能產(chǎn)生負面影響；相比于 100 mm 晶圓，它們在 150 mm 晶圓上出現的頻率更高。SiC 是世界上第三硬的復合材料，而且非常易碎，因此其制造存在周期時(shí)間、成本和切割性能方面的困難。向 200-mm SiC 晶圓的轉變將使汽車(chē)和工業(yè)市場(chǎng)受益匪淺，因為它能加快這些市場(chǎng)的系統和產(chǎn)品的電氣化進(jìn)程。隨著(zhù)產(chǎn)量的提高，這對促進(jìn)規模經(jīng)濟至關(guān)重要。