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

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）

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（T_j）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V_DSS为 1700 V，具有更高的VGS，为 -15/+25 V，并且其R_DS（ON）典型值仅28 m??C

这些1700 V MOSFET可在高达 175。C 的结温（T_j）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）