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

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）

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（T_j）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V_DSS為 1700 V，具有更高的VGS，為 -15/+25 V，並且其R_DS（ON）典型值僅28 m。

這些1700 V MOSFET可在高達 175°C 的結溫（T_j）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）