2022將會是SiC半導體元年？
作者 : Majeed Ahmad，EDN主編
SiC由於具備優異的高電壓、大電流和高頻等特性，使其特別適合電動車(EV)以及高功率密度等應用。業界專家預測，SiC應用在新的一年裡將具爆發潛力…
碳化矽(SiC)由於具備優異的高電壓、大電流和高頻等特性，使其特別適合電動車(EV)動力傳動系統以及其他高功率密度的應用。來自半導體巨擘意法半導體(STMicroelectronics)和微芯科技(Microchip Technology)的專家均預測，新的一年裡，SiC應用將具爆發潛力。兩家公司均已推出可商用的模組和參考設計，協助工程師快速開發高壓動力系統。
800V驅動系統由於能減輕電動車的重量、實現更快的充電，並確保更長的行駛里程，正日益獲得汽車製造商和供應商的青睞。而這也正推動SiC半導體至EV動力傳動以及其他應用的前線，特別是那些將功率密度、能效和可靠性作為關鍵設計考量因素的應用中。
在電動車設計建構模組中，採用SiC越來越流行，這些建構模組包括牽引逆變器、車載充電器(OBC)和DC/DC轉換器等。而在工業領域，SiC元件日益被用於馬達驅動、再生能源轉換器和儲存系統，以及電信和資料中心電源。
圖1：SiC的高頻性能讓電源系統可以採用更小的被動元件。(圖片來源：STMicroelectronics)
鑒於SiC在電動車和工業市場的潛力，晶片製造商ST近日推出了第三代STPOWER SiC MOSFET，同時宣稱其大多數衍生產品均已具備商用成熟度。據ST汽車與離散元件產品部副總裁暨功率電晶體事業部總經理Edoardo Merli稱，該公司的SiC業務目標是在2024年達到10億美元的營收規模。
第三代SiC技術廣受業界認可意味著，標稱額定電壓從650V、750V直到1,200V的SiC元件現在已經可用了。設計工程師現在已經能在更廣泛的應用中採用這種技術，從普通的交流(AC)線路電壓，到高壓電動車電池和充電器等。其中，ST的首批SiC元件之一——SCT040H65G3A是一款工作電壓為750V的功率MOSFET，售價僅為5美元。
超越SiC MOSFET
SiC MOSFET具有更高的額定電壓，可應用於功率模組和參考設計。例如， Microchip將與電源管理解決方案供應商Mersen合作，為電動車和儲能應用打造150kVA的三相SiC電源堆疊參考設計。該參考設計在單堆疊參考設計中整合了Microchip的SiC電源模組、數位閘極驅動器以及Mersen的匯流排、熔斷器和電容器。
圖2：SiC功率堆疊據稱可將上市時間縮短最高達六個月。(圖片來源：Microchip)
其電源模組採用1,200V MSCSM120AM042CD3AG SiC MOSFET，搭配AgileSwitch 2ASC-12A1HP數位閘極驅動器共同運作，讓設計工程師能夠使用為其應用預先設計的工具套件，更快速地開發高電壓系統。藉由可配置的數位閘極驅動器，該參考設計讓工程師可在高達750A的電流下，在700V和1,200V電壓之間進行選擇。
AgileSwitch 2ASC-12A1HP閘極驅動器由Microchip的智慧配置工具(ICT)提供支援，該工具可免費下載。ICT提供的使用者介面讓使用者能夠配置閘極驅動器參數，例如閘極開關設定檔、系統關鍵監視器以及控制器介面設置等。
基於SiC MOSFET建構的參考設計可提供16kW/l的功率密度和高達130°C的接面溫度(Tj)，峰值效率達98%，開關頻率則高達20kHz。Mersen全球策略行銷副總裁Philippe Roussel聲稱，該參考設計將有助於最佳化任何逆變器拓撲。「SiC能將其主要規格擴展至更高的電壓、電流和開關頻率，以滿足工作點的需求。」
從MOSFET到電源模組，再到參考設計，SiC元件的廣泛可用性，證明了這種寬能隙(wide bandgap；WBG)技術在電動車應用和快充電動車基礎設施中所具備的能力。此外，SiC所具有的節能潛力也推動了其於太陽能逆變器、儲能系統、馬達驅動和電源等工業領域中的應用。
(參考原文：Will 2022 be the year of silicon carbide semiconductors?，by Majeed Ahmad)
本文同步刊登於EDN Taiwan 2022年1月號雜誌
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