SiC技术的优势以及这些宽带隙半导体越来越多地被部署的应用
作者：Llew Vaughan Edmunds，Navitas Semiconductor市场营销高级总监
 
碳化硅（SiC）是一项至关重要的技术，因为高功率、高速的应用考验着传统硅的极限。下一代系统不仅继续突破性能和能力的界限，还颠覆和取代燃烧化石燃料的系统（如运输、发电、暖通空调），并使其转向清洁、高效的电能。“Electrify Our World™”的使命保持技术和解决方案的发展，同时提供更可持续的未来。例如，市场研究公司Yole Développement最近的一份报告预测，碳化硅市场将经历34%的复合年增长率，从2021年的10亿美元增长到2027年的60亿美元以上。全球范围内的各种举措进一步强调了SiC的重要性，包括美国的《芯片法案》，该法案将使用数十亿美元中的一部分来资助该技术的新制造能力。
 
碳化硅的优点
SiC以类似于金刚石的强共价键结合硅和碳，是一种强大的半导体技术，其带隙（将电子从其绕核轨道释放所需的能量）为3.26 eV，几乎是传统硅的三倍。由于带隙决定了材料所能承受的电场（SiC的介电击穿强度是硅的十倍）及其工作速度，碳化硅更宽的带隙使得能够开发出比传统硅支持更高频率和更高电压的半导体。


图1：SiC器件提供了优于传统硅的性能，包括更高的效率、更快的开关速度和出色的散热
 
此外，该材料的化学性能比硅具有更好的导热性和热稳定性，是在高压和高温应用中提供可靠性能的理想材料。
虽然GaN和SiC都是宽带隙半导体材料，但SiC与GaN的不同之处在于其热性能和电子通过半导体材料的速度。这种“电子迁移率”反映了每种应用都能带来最大效益的类型。
 
例如，GaN更高的电子迁移率，再加上非常低的栅极电容，使其更适合高性能、高频的设计。Navitas又迈出了一步，将横向GaN FET、GaN驱动以及逻辑和保护功能单片集成，打造出快、优化程度高、受保护程度高的GaN功率IC。
对于SiC来说，更高的热导率、坚固的设计和垂直结构的结合，有助于在具有更大功率循环能力的更高电压下工作的能力是关键考虑因素的应用。
 
SiC的目标应用
图2说明了在各自的功率和电压范围内的一些关键应用。然后叠加功率技术以显示优选和类型，无论是传统硅还是下一代宽带隙GaN和SiC技术。如图所示，在数据中心和电动汽车DC-DC转换等一些应用中，设计者越来越多地希望将GaN和SiC器件混合到他们的系统中，以优化性能和效率。然而，正是在更高的功率和更高的额定电压下，SiC才真正发挥了作用。


图2：SiC器件在更高的电压和功率水平下提供最高的性能和效率
 
SiC增长的关键驱动力之一将来自汽车行业，因为制造商和Tier 1希望提高电动和混合动力传动系统以及其他关键车辆功能的效率，降低其尺寸、重量和成本。
在车载充电器（OBC）、DC-DC转换、牵引力控制和暖通空调系统等领域，基于SiC的设计比硅替代品提供了更好的效率、更快的切换和更高的功率密度。选择SiC可以选择更小的电池和更小的电机，减少无源部件的尺寸，并有助于全面降低尺寸、重量和冷却，对于电动汽车或混合动力车来说，这意味着续航里程更长，燃油效率更高，成本更低。
 
提高可再生能源和电网的效率是碳化硅发挥重要作用的另一个领域。在这里，该技术越来越多地应用于风能系统的转换器、高功率非车载电动汽车充电器、高压传感和保护设备、辅助电源，以及商业太阳能系统和微电网应用。
例如，太阳能串逆变器将来自多个DC优化的太阳能电池板组（“串”）的功率聚合在一起，然后将多个电池板串连接到一个逆变器，在该逆变器中，电力从DC转换为交流电。逆变器和升压级中的SiC MOSFET和二极管可以比传统的硅功率器件提供显著的效率增益，同时提供有助于减小系统尺寸、重量和成本的快速切换频率。
碳化硅也在交通运输领域崭露头角。在这里，从火车和公共汽车到运输车辆和飞机，所有领域的设计师都在转向这项技术，以提高效率并缩小用于为其他车载系统提供牵引功率和动力的动力系统的尺寸。与硅基等效物相比，基于SiC的运输动力单元更高效，并且运行时的可听噪声更小，并且可以更小、更轻，在空间利用率和燃料效率方面具有相应的优势。


图3：SiC在电动汽车中提供更小、更轻、更高效的系统，从而实现更长的续航里程或更小的电池
 
SiC正在寻找归宿的工业应用包括机器人和工业自动化的电机控制。在这里，设计师们正在采取第一步，用SiC合并引脚肖特基（MPS™，merged pin Schottky）取代用于电机电流换向的反并联硅二极管，以减少开关和导通损耗。另一种方法，也是最有效的解决方案，是用SiC MOSFET取代所有功率硅IGBT和二极管。这一演变尤为重要，因为据估计，电机占世界能源使用量的53%以上，而大多数是效率仅为60%的简单交流电机。
因此，通过将SiC与变速设计相结合，提高效率并减少特定任务所需的电机驱动器的能量和尺寸，将对全球能源消耗、运营成本和排放产生重大影响。
 
SiC的演变
从历史上看，制造SiC技术的成本一直高于可比硅器件，这在很大程度上是由于更复杂和昂贵的衬底生长工艺，约占最终管芯成本的50%。然而，好消息是，随着SiC生产继续向高产量倾斜，产量提高，专用制造方法上线，SiC衬底成本迅速下降，价格增量现在正在缩小。
除了降低成本外，这一发展还意味着市场上SiC器件的范围正在快速增长，包括MOSFET和MPS二极管。现在可以使用能够处理650V至3.3kV电压的SiC MOSFET和二极管器件。Navitas通过其GeneSiC技术将这些能力扩展到6.5kV。
 
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