SiC等寬能隙(WBG)元件對於當今汽車和再生能源等應用至關重要。隨著世界逐漸轉向使用永續能源(主要是電力)，能效比以往任何時候都更加重要。
提高開關模式能源效率的方法之一，便是降低銅損和開關損耗。然而，為了應對這項挑戰，直流匯流排電壓不斷上升，半導體技術也必須隨之進化。這些技術對企業實現減少碳排的承諾至關重要。
本文將探討下一代SiC元件如何演進，以應對最新應用的挑戰。
SiC應用場域
許多因素正在推動各應用領域的技術快速發展。以工業和汽車這兩個最重要的市場為例，主要的關鍵趨勢是提高能效、縮小外形和利用圖像感測提升感知能力。 在工業領域，業者將MOSFET和功率模組的新進展部署於各種工業系統，以優化效能和系統成本。這之中有兩個領域特別受益，即電動車充電基礎設施和替代/再生能源應用，如太陽能。
成本和性能是許多工業應用的共同議題。設計人員要解決的挑戰是在不增加尺寸的情況下，讓太陽光變頻器輸送更多電力，或者降低與儲能相關的散熱成本。降低充電成本是推動電動車普及的重要途徑。然而，十分關鍵的一點是透過壁掛式直流充電樁或直流快速充電，實現更快的充電能力，而不需要額外的散熱。
在汽車領域，能效與車輛的行駛里程以及車承載電子設備的尺寸、重量和成本密切相關。在電動車/油電混合動力車中，與部署IGBT功率模組相比，採用SiC方案可帶來顯著的性能提升。同時，車用CPU、LED照明和車身電子設備也能從更好的電源管理中獲益。
牽引逆變器是其中關注焦點，將影響車輛的整體能效，因而限定行駛里程。根據行駛情況，輕型乘用車大部分時間是在輕承載情況下行駛，因此相比IGBT方案，SiC提高效率的優勢顯而易見。此外，車載式電池充電器(OBC)尺寸需要盡可能縮小。只有支援高效率切換頻率的寬能隙元件才能實現更小的外形尺寸，省下來的每一分能量都能增加車輛的總行駛里程，進而減輕里程焦慮。
現代應用採用SiC技術的優勢
汽車和工業應用中，所有的電源轉換都依賴半導體的開關元件和二極體來實現高能效並降低轉換損耗。因此，半導體產業一直致力提高電源應用中，矽基半導體元件的性能，特別是IGBT、MOSFET和二極體，再加上電源轉換拓撲結構的創新，可實現前所未有的性能(圖1)。隨著現有矽基半導體元件達到其能力極限，為了繼續提高能效，需要新的材料。寬能隙材料，如SiC和氮化鎵(GaN)等，在未來頗具發展前景。電氣系統對更高性能、密度和可靠性的需求，正在推動SiC技術突破極限。
圖1 多種應用需要充分利用SiC技術優勢
無論是用於汽車牽引、太陽能變頻器或是電動車充電器，基於SiC的MOSFET和二極體產品都能提供比現有矽基IGBT和整流器更好的性能和更低的系統級成本。SiC的寬能隙特性支援比矽更高的臨界磁場，因此可實現更高的阻斷電壓能力，例如1,700V和2,000V。再者，SiC的電子遷移率和飽和速度本質上就高於矽元件，因此能夠在顯著更高的頻率和接面溫度下工作，這兩點皆為關鍵優勢。除此之外，基於SiC的元件開關損耗相對更低、頻率更高，這有助於減少相關無源元件(包括磁性元件和電容)的尺寸、重量和成本(圖2)。
圖2 SiC等寬能隙材料替電源系統帶來多方好處
導通損耗和開關損耗顯著降低，代表SiC的電源方案產生的熱量更少。另外，SiC元件能夠在高達175°C的接面溫度(Tj)下工作，這代表對風扇和散熱器等散熱措施的需求將顯著減少，得以節省系統尺寸、重量和成本，並且在具有挑戰性、空間受限的應用中也能確保更高的可靠性。
對更高電壓元件的需求
SiC的寬能隙特性支援比矽更高的臨界磁場，因此可實現更高的阻斷電壓能力，例如1,700V和2,000V。對於給定的功率，提高電壓會降低總電流需求，進而降低總銅損。在太陽能光伏(PV)系統等再生能源應用中，來自PV板的直流匯流排電壓已從600V提高到1,500V以提升能效。類似地，輕型乘用車正從400V匯流排過渡到800V匯流排(某些情況下為1,000V匯流排)，以提高能效並縮短充電時間。過去，對於400V匯流排電壓，所用元件的額定電壓為750V，但現在需要更高的額定電壓，例如1,200V，甚至1,700V，以確保元件在這些應用中能夠可靠地運行。
SiC最新技術
為了滿足更高崩潰電壓(Breakdown Voltage)的需求，各業者陸續推出相關產品，如安森美(onsemi)便開發了一系列1,700V M1平面EliteSiC MOSFET元件，針對快速開關應用進行優化(表1)。NTH4L028N170M1是首批元件中的一款，其VDSS為1,700V，並且具有更高的VGS -15/+25V。該元件的RDS(ON)典型值僅28mΩ。
新型1,700V MOSFET可以在175°C的接面溫度(Tj)下工作，相關的散熱器尺寸可以大幅減小，甚至完全無需散熱器。NTH4L028N170M1的第四個引腳上有一個開爾文源極連接(TO-247-4L封裝)，可以降低導通功耗和柵極雜訊。此外也提供D2PAK-7L配置，可進一步減少NTBG028N170M1等元件中的封裝寄生效應。
安森美即將推出採用TO-247-3L和D2PAK-7L封裝的1,700V 1,000mΩ SiC MOSFET，適用於電動車充電和再生能源應用中的高可靠性輔助電源單元。
除了MOSFET，該公司還開發了一系列1,700V SiC肖特基二極體，詳見表2。具有該額定值的D1系列元件可在二極體的反向峰值電壓(VRRM)和反向重複峰值電壓之間提供更大的電壓餘裕。特別是，新元件即使在高溫下也能提供更低的正向峰值電壓(VFM)、最大正向電壓和出色的反向漏電流，使設計人員能夠實現在高溫高壓下穩定運行的設計。
新元件(NDSH25170A和NDSH10170A)可以TO-247-2L封裝和裸片兩種形式供貨，還有一種無封裝的100A版本。
在某些產業，供應鏈受到元件供應的牽制，因此在選擇新元件和技術時，考慮供應能力非常重要。例如，安森美為了確保對客戶的供應穩定可靠，近期收購GT Advanced Technologies(GTAT)，此舉不僅鞏固了供應鏈，還能使該公司利用GTAT 的技術經驗。
SiC技術持續發展
借助SiC的性能，設計人員將能滿足當今具挑戰的應用需求，包括汽車、再生能源和工業應用的需求，尤其是功率密度和散熱方面。
SiC技術正逐漸成熟，關鍵應用領域不斷發展和進步，因此SiC也必須同步發展，以滿足日益成長的需求。例如，面對更高崩潰電壓的需求，安森美推出1,700V SiC MOSFET和二極體來滿足此需求。此外，該公司目前正在開發2,000V SiC MOSFET技術，以支援太陽能、固態變壓器和電子斷路器等新興應用。
(本文作者為安森美工業電源方案產品行銷總監)