使用SiC的關(guān)鍵在于了解事實(shí)

最近，碳化硅 (SiC) 及其在電力電子領(lǐng)域的潛在應(yīng)用受到了廣泛關(guān)注，但同時(shí)也引發(fā)了一些誤解。本文旨在澄清這些誤解，讓工程師們?cè)谖磥矸判牡厥褂?SiC器件。

應(yīng)用

圍繞SiC 產(chǎn)生的一些疑慮與其應(yīng)用范圍相關(guān)。例如，一些設(shè)計(jì)人員認(rèn)為SiC MOSFET 應(yīng)該用來替代IGBT，而硅MOSFET 的替代品應(yīng)該是氮化鎵 (GaN) 器件。然而，額定電壓為650 V 的SiC MOSFET 具有出色的性能，其R_DS(ON)*Q_g 品質(zhì)因數(shù)很有競(jìng)爭(zhēng)力，反向恢復(fù)電荷也非常小。因此，在圖騰柱功率因數(shù)校正 (TPPFC) 或同步升壓等硬開關(guān)應(yīng)用中，SiC 是硅MOSFET 的絕佳替代品。一些工程師認(rèn)為SiC 不太適合更高頻率的應(yīng)用，而要實(shí)現(xiàn)快速開關(guān)就應(yīng)該改用GaN。然而，隨著最近的技術(shù)進(jìn)步，SiC 芯片面積進(jìn)一步縮小，進(jìn)而使其越來越適合高頻 (>100 kHz) 操作。正因如此，對(duì)于像100 kHz的TPPFC 以及（200~300）kHz 頻率的軟開關(guān)LLC 之類的應(yīng)用，SiC 器件現(xiàn)在已經(jīng)有成功的經(jīng)驗(yàn)。此外，溝槽和共源共柵 SiC MOSFET 等新興技術(shù)將進(jìn)一步增強(qiáng)其高頻性能。最后，還有工程師考慮到SiC 已成功應(yīng)用于電動(dòng)汽車牽引逆變器，便認(rèn)為SiC 是一項(xiàng)小眾技術(shù)。然而，如今幾乎所有行業(yè)都需要提高功率密度和確保高效運(yùn)行，這就意味著SiC 的優(yōu)勢(shì)還可以普及到各種不太復(fù)雜的設(shè)計(jì)，例如電動(dòng)汽車車載充電器 (OBC)、太陽能光伏 (PV) 模塊和可再生能源，以及云計(jì)算。

器件選擇和操作

許多設(shè)計(jì)人員使用負(fù)關(guān)斷柵極電壓來防止SiC 器件因開關(guān)瞬變而“抖動(dòng)”或意外重新導(dǎo)通，但這并不做嚴(yán)格規(guī)定。許多成功的SiC 設(shè)計(jì)案例都未采用負(fù)柵極電壓驅(qū)動(dòng)。但是，在所有設(shè)計(jì)中都應(yīng)遵循良好的慣例，比如采用緊湊布局來盡量減少寄生效應(yīng)。此外，柵極驅(qū)動(dòng)器應(yīng)該能夠吸收足夠的電流，從而將器件穩(wěn)定在關(guān)斷狀態(tài)。在少數(shù)的應(yīng)用中，比如TPPFC，結(jié)隔離柵極驅(qū)動(dòng)器或可接受。然而，值得注意的是，電隔離柵極驅(qū)動(dòng)器的抗噪能力更強(qiáng)，并且可以更好地處理開關(guān)節(jié)點(diǎn)dv/dt 瞬變，防止誤觸發(fā)。由于SiC MOSFET 開關(guān)速度快且柵極電荷(Q_g) 比等效的硅器件低，因此即使在不做嚴(yán)格要求的應(yīng)用中，電隔離柵極驅(qū)動(dòng)器也能實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)健的設(shè)計(jì)。如今，許多專用SiC 驅(qū)動(dòng)器都提供便捷的功能，如負(fù)柵極驅(qū)動(dòng)、DESAT、OCP、OTP 和其他保護(hù)。只要選擇了合適的柵極驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)SiC 器件就跟驅(qū)動(dòng)硅 MOSFET 一樣易實(shí)現(xiàn)。

圖1 SiC晶圓圖片

SiC 經(jīng)濟(jì)學(xué)、生態(tài)系統(tǒng)和供應(yīng)鏈

公眾認(rèn)為 SiC 解決方案成本高，這是一種誤解。與硅 MOSFET 相比，SiC 器件存在小范圍溢價(jià)；但是，以一個(gè)典型的30 kW 硅基電源解決方案為例。在該解決方案中，電感器和電容器占總成本的90%（分別為60% 和30%），而半導(dǎo)體器件僅占總物料(BOM) 成本的10%。假設(shè)將硅MOSFET 更換為SiC 開關(guān)。在這種情況下，電容和電感的尺寸將減少75%，使得成本顯著降低（尺寸也大幅縮?。?，抵消了開關(guān)元件成本增加的影響。此外，硅器件的效率低于SiC，需要搭配昂貴且龐大的散熱器解決方案。因此，SiC 解決方案的總BOM 成本低于等效的硅解決方案。

隨著相關(guān)技術(shù)進(jìn)入主流，SiC 生態(tài)系統(tǒng)正在迅速發(fā)展?，F(xiàn)在市面上有各種商用SiC 器件和相關(guān)柵極驅(qū)動(dòng)器可供選擇，提供幾種封裝樣式，適合多種應(yīng)用。隨著制造商開始通過應(yīng)用工程團(tuán)隊(duì)、參考設(shè)計(jì)、應(yīng)用筆記、仿真模型和工具提高其支持力度，整個(gè)行業(yè)的 SiC 知識(shí)儲(chǔ)備正在不斷完善。最近某些行業(yè)面臨元件供貨（不僅僅是SiC）的問題。然而，得益于最近對(duì)GTAT 的收購(gòu)，安森美 (onsemi) 的供應(yīng)鏈變得更加強(qiáng)大可靠。安森美是為數(shù)不多具有端到端SiC 供應(yīng)能力的大型供應(yīng)商，包括晶錠批量生長(zhǎng)、基板制備、外延、器件制造、出色的集成模塊和分立式封裝解決方案。為了順應(yīng)未來幾年SiC的預(yù)期增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，安森美計(jì)劃將基板業(yè)務(wù)的產(chǎn)能提高五倍，并斥巨資擴(kuò)大公司的器件和模塊產(chǎn)能，到2023 年實(shí)現(xiàn)所有工廠產(chǎn)能翻一番。到2024 年，產(chǎn)能再增加近一倍，并能夠視需要實(shí)現(xiàn)再次增長(zhǎng)。

圖2 安森美的端到端供應(yīng)鏈

高溫和高壓下的穩(wěn)健性

SiC 材料寬帶隙(WBG) 的特性使其在SiC MOSFET中的雪崩兼具更強(qiáng)的耐受性，這是因?yàn)闊岙a(chǎn)生的載流子濃度遠(yuǎn)小于硅器件。雖然SiC 器件確實(shí)因?yàn)閹缀纬叽绺《鴮?dǎo)致它們的短路耐受時(shí)間比IGBT 短，但是，使用適當(dāng)?shù)腟iC 柵極驅(qū)動(dòng)器可確保檢測(cè)到故障并在關(guān)斷器件的同時(shí)留有足夠的備用裕量，因此在具有穩(wěn)健性要求的應(yīng)用中可以放心使用。許多電動(dòng)汽車的電池電壓將從400 V 升至800 V 或1,000 V。而太陽能光伏 (PV) 系統(tǒng)中的輸入電壓也將從600 V 升至1500 V。這就要求器件具有更高的擊穿電壓，為此安森美開發(fā)了一系列針對(duì)快速開關(guān)應(yīng)用優(yōu)化的1 700V M1 平面EliteSiC MOSFET器件。除了這些MOSFET，安森美還推出了一系列1 700 V SiC 肖特基二極管。

圖3 1 700V M1 平面 EliteSiC MOSFET

結(jié)論

對(duì)硅器件和碳化硅器件進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)分析后的結(jié)果表明，許多普遍存在的誤解缺乏事實(shí)依據(jù)，工程師可放心選擇將這種多功能技術(shù)應(yīng)用于他們的設(shè)計(jì)中。

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年6月期）