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保障下一代碳化硅 (SiC) 器件的供需平衡

本文作者:Ajay Sattu       点击: 2023-09-15 10:28
前言:
在工业、汽车和可再生能源应用中,基于宽禁带 (WBG) 技术的组件,比如 SiC,对提高能效至关重要。在本文中,安森美 (onsemi) 思考下一代 SiC 器件将如何发展,从而实现更高的能效和更小的尺寸,并讨论对于转用 SiC 技术的公司而言,建立稳健的供应链为何至关重要。

在广泛的工业系统(如电动汽车充电基础设施)和可再生能源系统(如太阳能光伏 (PV))应用中,MOSFET 技术、分立式封装和功率模块的进步有助于提高能效并降低成本。然而,平衡成本和性能对于设计人员来说是一项持续的挑战,必须在不增加太阳能逆变器的尺寸或散热成本的情况下,实现更高的功率。实现这一平衡非常有必要,因为降低充电成本将是提高电动汽车普及率的关键推动因素。

汽车的能效与车载电子器件的尺寸、重量和成本息息相关,这些都会影响车辆的行驶里程。在电动/混动汽车中使用 SiC 取代 IGBT 功率模块可显著改进性能,尤其是在主驱逆变器中,因为这有助于显著提高车辆的整体能效。轻型乘用车主要在低负载条件下工作,在低负载下,SiC 的能效优势比 IGBT 更加明显。车载充电器 (OBC) 的尺寸和重量也会影响车辆行驶里程。因此,OBC 必须设计得尽可能小,而 WBG 器件具有较高的开关频率,在这方面发挥着至关重要的作用。

SiC 技术的优势
为了最大限度减少电源转换损耗,需要使用具有出色品质因数的半导体功率开关。电源应用中使用的硅基半导体器件(IGBT、MOSFET 和二极管)的性能改进,加上电源转换拓扑方面的创新,使能效大幅提升。然而,由于硅基半导体器件已接近其理论极限,在新应用中它们正逐渐被 SiC 和氮化镓 (GaN) 等宽禁带 (WBG) 半导体取代。
图 1:多种应用可从 SiC 器件的特性中受益

对更高性能、更大功率密度和更优性能的需求不断挑战着 SiC 的极限。得益于宽禁带特性,SiC 能够承受比硅更高的电压(1700V 至 2000V)。同时,SiC 本身还具有更高的电子迁移率和饱和速度。因此,它能够在明显更高的频率和结温下工作,对电源应用而言非常理想。此外,SiC 器件的开关损耗相对更低,这有助于降低无源组件的尺寸、重量和成本。
 
图 2:SiC 为电源系统带来诸多优势

SiC 器件的导通损耗和开关损耗更低,因此降低了对散热的要求。再加上它能够在高达 175°C 的结温 (Tj) 下工作,因而对风扇和散热片等散热措施的需求减少。系统尺寸、重量和成本也得以减小,并且在空间受限的应用中也能保障更高的可靠性。

需要更高电压
通过增加电压以减少电流,可减少在所需功率下的损耗。因此,在过去几年里,来自 PV 板的直流母线电压已从 600 V 提高到 1500 V。同样地,轻型乘用车中的 400 V 直流母线可提升到 800 V 母线(有时可提高到 1000 V)。过去,对于 400 V 母线电压,所用器件的额定电压为 750 V。现在,需要具有更高额定电压(1200 V 至 1700 V)的器件,以确保这些应用能够安全、可靠地工作。

SiC 的最新进展
为了满足对具有更高击穿电压的器件的需求,安森美开发了 1700V M1 平面 EliteSiC MOSFET 系列产品,针对快速开关应用进行了优化。NTH4L028N170M1 是该系列首批器件中的一款,其 VDSS 为 1700 V,具有更高的 VGS,为 -15/+25 V,并且其 RDS(ON) 典型值仅 28 m。
 
这些 1700 V MOSFET 可在高达 175°C 的结温 (Tj) 下工作,因而能够与更小的散热片结合使用,或者有时甚至不需要使用散热片。此外,NTH4L028N170M1 的第四个引脚上有一个开尔文源极连接(TO-247-4L 封装),用于降低导通功耗和栅极噪声。这些开关还提供 D2PAK–7L 封装,具有更低的封装寄生效应。
 
图 3:安森美的新型 1700 V EliteSiC MOSFET

采用 TO-247-3L 和 D2PAK-7L 封装的 1700 V 1000 mSiC MOSFET 也已投产,适用于电动汽车充电和可再生能源应用中的高可靠性辅助电源单元。

安森美开发了 D1 系列 1700 V SiC 肖特基二极管。1700 V 的额定电压可在 VRRM 和反向重复峰值电压之间为器件提供更大的电压裕量。该系列器件具有更低的 VFM(最大正向电压)和出色的反向漏电流,有助于实现在高温高压下稳定运行的设计。
 
图 4:安森美的新型 1700 V 肖特基二极管

NDSH25170A 和 NDSH10170A 器件以 TO-247-2 封装和裸片两种形式供货,还提供 100A 版本(无封装)。

供应链考量
由于可用组件短缺,一些电子行业领域的生产已受到影响。因此,在选择新技术产品的供应商时,务必考虑供应商按时履行订单的能力。为保障向客户的产品供应,安森美最近收购了 GT Advanced Technology (GTAT),以利用 GTAT 在物流方面的专长和经验。安森美是目前为数不多具有端到端能力的大型 SiC 供应商,包括晶锭批量生长、衬底制备、外延、器件制造、集成模块和分立式封装解决方案。为了满足 SiC 应用的预期增长需求,安森美计划在 2024 年之前将衬底业务的产能提高数倍,并扩大公司的器件和模块产能,在未来实现进一步扩张。

总结
在不断发展的汽车、可再生能源和工业应用中,工程师将能够借助 SiC 器件的特性,解决功率密度和散热方面的诸多挑战。凭借 1700V 系列 SiC MOSFET 和二极管,安森美满足了市场对具有更高击穿电压的器件的需求。此外,安森美还为新兴的太阳能、固态变压器和固态断路器应用开发了 2000V SiC MOSFET 技术。