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保障下一代碳化矽元件的供需平衡
 

【作者: Ajay Sattu】2024年02月23日 星期五

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在工业、汽车和可再生能源应用中,基於宽能隙(WBG)技术的组件,比如碳化矽(SiC),对於提高效能至关重要。本文叙述思考下一代SiC元件将如何发展,从而实现更高的效能和更小的尺寸,并讨论建立稳健的供应链对转用SiC技术的公司的重要性。


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,例如太阳能光伏(PV)应用中,MOSFET技术、分立式封装和功率模组的进步有助於提高能效并降低成本。


然而,对於设计人员来说,平衡成本和性能是一项持续的挑战,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。实现此一平衡极有必要,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元件的尺寸、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 功率模组可显着改进性能,尤其是在主驱逆变器中,因为这有助於显着提高车辆的整体效能。


轻型乘用车主要是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尺寸必须设计得尽可能小,而WBG元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。电源应用中使用的矽基半导体元件(例如IGBT、MOSFET 和二极体)的性能改进,加上电源转换拓扑方面的创新,使效能大幅提升。然而,由於矽基半导体元件已接近其理论极限,在新应用中它们正逐渐被SiC和氮化??(GaN)等宽能隙(WBG)半导体取代。



图一 : 多种应用可从SiC元件的特性中受益
图一 : 多种应用可从SiC元件的特性中受益

对於更高性能、更大功率密度和更优性能的需求不断挑战着SiC的极限。得益於宽能隙特性,SiC能够承受比矽更高的电压(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,适合於电源应用。此外,SiC元件的开关损耗相对更低,这有助於降低无源元件的尺寸、重量和成本。



图二 : SiC 为电源系统带来许多的优势(source:ONSAR2992)
图二 : SiC 为电源系统带来许多的优势(source:ONSAR2992)

SiC元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,因而对於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,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,对於400 V母线电压,所用元件的额定电压为750 V。现在,需要具有更高额定电压(1200 V至 1700 V)的元件,以确保这些应用能够安全、可靠地工作。


SiC进展

为了满足对具有更高崩溃电压的元件需求,安森美开发1700V M1平面 EliteSiC MOSFET系列产品,针对快速开关应用进行优化。NTH4L028N170M1 是该系列首批元件中的一款,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??C


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),用於降低导通功耗和栅极杂讯,这些开关还提供D2PAK-7L封装,具有更低的封装寄生效应。采用TO-247-3L和D2PAK-7L封装的1700 V 1000 m兦 SiC MOSFET已投产,适用於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。


此外,安森美开发D1系列1700 V SiC肖特基二极体。1700 V的额定电压可在 VRRM和反向重复峰值电压之间,为元件提供更大的电压裕量。该系列元件具有更低的最大正向电压(VFM)和出色的反向漏电流,有助於实现在高温高压下稳定运行的设计。


供应链考量

由於可用组件短缺,使得一些电子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。为保障客户的产品供应,安森美收购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、元件制造、整合模组和分立式封装解决方案。为了满足SiC应用的预期增长需求,安森美计画将衬底业务的产能提高数倍,并且扩大公司的元件和模组产能,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元件的特性,解决功率密度和散热方面的诸多挑战。凭藉1700V系列SiC MOSFET和二极体,得以满足市场对於具有更高崩溃电压的元件的需求。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2000V SiC MOSFET技术。


(本文作者Ajay Sattu 任职於安森美半导体)


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