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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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在工業、汽車和可再生能源應用中,基於寬能隙(WBG)技術的組件,比如碳化矽(SiC),對於提高效能至關重要。本文敘述思考下一代SiC元件將如何發展,從而實現更高的效能和更小的尺寸,並討論建立穩健的供應鏈對轉用SiC技術的公司的重要性。


在廣泛的工業系統(如電動汽車充電基礎設施)和可再生能源系統,例如太陽能光伏(PV)應用中,MOSFET技術、分立式封裝和功率模組的進步有助於提高能效並降低成本。


然而,對於設計人員來說,平衡成本和性能是一項持續的挑戰,必須在不增加太陽能逆變器的尺寸或散熱成本的情況下,實現更高的功率。實現此一平衡極有必要,因為降低充電成本將是提高電動汽車普及率的關鍵推動因素。


汽車的能效與車載電子元件的尺寸、重量和成本息息相關,這些都會影響車輛的行駛里程。在電動/混動汽車中使用 SiC取代 IGBT 功率模組可顯著改進性能,尤其是在主驅逆變器中,因為這有助於顯著提高車輛的整體效能。


輕型乘用車主要是在低負載條件下工作,在低負載下,SiC的能效優勢比IGBT更加明顯。車載充電器(OBC)的尺寸和重量也會影響車輛行駛里程。因此,OBC尺寸必須設計得盡可能小,而WBG元件具有較高的開關頻率,在這方面發揮著至關重要的作用。


SiC技術的優勢

為了最大限度減少電源轉換損耗,需要使用具有出色品質因數的半導體功率開關。電源應用中使用的矽基半導體元件(例如IGBT、MOSFET 和二極體)的性能改進,加上電源轉換拓撲方面的創新,使效能大幅提升。然而,由於矽基半導體元件已接近其理論極限,在新應用中它們正逐漸被SiC和氮化鎵(GaN)等寬能隙(WBG)半導體取代。



圖一 : 多種應用可從SiC元件的特性中受益
圖一 : 多種應用可從SiC元件的特性中受益

對於更高性能、更大功率密度和更優性能的需求不斷挑戰著SiC的極限。得益於寬能隙特性,SiC能夠承受比矽更高的電壓(1700V至2000V)。同時,SiC本身還具有更高的電子遷移率和飽和速度。因此,它能夠在明顯更高的頻率和結溫下工作,適合於電源應用。此外,SiC元件的開關損耗相對更低,這有助於降低無源元件的尺寸、重量和成本。



圖二 : SiC 為電源系統帶來許多的優勢(source:ONSAR2992)
圖二 : SiC 為電源系統帶來許多的優勢(source:ONSAR2992)

SiC元件的導通損耗和開關損耗更低,因此降低了對散熱的要求。再加上它能夠在高達175°C的結溫(Tj)下工作,因而對於風扇和散熱片等散熱措施的需求減少。系統尺寸、重量和成本也得以減小,並且在空間受限的應用中也能保障更高的可靠性。


需要更高電壓

通過增加電壓以減少電流,可減少在所需功率下的損耗。因此,在過去幾年,來自 PV 板的直流母線電壓已從600 V提高到1500 V。同樣地,輕型乘用車中的400 V直流母線可提升到800 V母線(有時可提高到1000 V)。過去,對於400 V母線電壓,所用元件的額定電壓為750 V。現在,需要具有更高額定電壓(1200 V至 1700 V)的元件,以確保這些應用能夠安全、可靠地工作。


SiC進展

為了滿足對具有更高崩潰電壓的元件需求,安森美開發1700V M1平面 EliteSiC MOSFET系列產品,針對快速開關應用進行優化。NTH4L028N170M1 是該系列首批元件中的一款,其VDSS為 1700 V,具有更高的VGS,為 -15/+25 V,並且其RDS(ON)典型值僅28 m。


這些1700 V MOSFET可在高達 175°C 的結溫(Tj)下工作,因而能夠與更小的散熱片結合使用,或者有時甚至不需要使用散熱片。此外,NTH4L028N170M1的第四個引腳上有一個開爾文源極連接(TO-247-4L封裝),用於降低導通功耗和柵極雜訊,這些開關還提供D2PAK–7L封裝,具有更低的封裝寄生效應。採用TO-247-3L和D2PAK-7L封裝的1700 V 1000 m SiC MOSFET已投產,適用於電動汽車充電和可再生能源應用中的高可靠性輔助電源單元。


此外,安森美開發D1系列1700 V SiC肖特基二極體。1700 V的額定電壓可在 VRRM和反向重複峰值電壓之間,為元件提供更大的電壓裕量。該系列元件具有更低的最大正向電壓(VFM)和出色的反向漏電流,有助於實現在高溫高壓下穩定運行的設計。


供應鏈考量

由於可用組件短缺,使得一些電子業領域的生產已受到影響。因此,在選擇新技術產品的供應商時,務必考慮供應商按時履行訂單的能力。為保障客戶的產品供應,安森美收購GT Advanced Technology(GTAT),以利用GTAT在物流方面的專長和經驗。


安森美是目前為數不多具有端到端能力的大型SiC供應商,包括晶錠批量生長、襯底製備、外延、元件製造、整合模組和分立式封裝解決方案。為了滿足SiC應用的預期增長需求,安森美計畫將襯底業務的產能提高數倍,並且擴大公司的元件和模組產能,在未來實現進一步擴張。


總結

在不斷發展的汽車、可再生能源和工業應用中,工程師將能夠借助SiC元件的特性,解決功率密度和散熱方面的諸多挑戰。憑藉1700V系列SiC MOSFET和二極體,得以滿足市場對於具有更高崩潰電壓的元件的需求。此外,安森美還為新興的太陽能、固態變壓器和固態斷路器應用開發2000V SiC MOSFET技術。


(本文作者Ajay Sattu 任職於安森美半導體)


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