碳化矽(SiC)技術可提供更高的效率、更小的尺寸及更低的成本,並且降低了更智慧的電源設計冷卻要求。

寬能隙(WBG)半導體技術在功率電子元件中的應用越來越多。與傳統的矽技術相比,SiC和氮化鎵(GaN)半導體材料顯現卓越的性能,使功率元件能夠在高電壓尤其是高溫和高開關頻率下工作。功率電子系統的設計人員正努力研究如何充分利用GaN和SiC元件的優勢。

矽早已是大多數電子應用中的關鍵半導體材料,但與SiC相比,則顯得效率低下。SiC現在已開始被多種應用採納,特別是電動車(EV),以應對開發高效率和高功率元件所面臨的能源和成本挑戰。

SiC由純矽和碳組成,與矽相比具有三大優勢:更高的臨界雪崩擊穿電場、更大的導熱係數和更寬的能隙。SiC具有3電子伏特(eV)的寬能隙,可以承受比矽大8倍的電壓梯度而不會發生雪崩擊穿。能隙越寬,在高溫下的漏電流就越小,效率也越高。而導熱係數越大,電流密度就越高。

SiC基板具有更高的電場強度,因而可以使用更薄的基礎結構,其厚度可能僅為矽壘晶層的十分之一。此外,SiC的摻雜濃度比矽高2倍,因此元件的表面電阻降低了,傳導損耗也顯著減少。

SiC現已公認為是一種能夠可靠替代矽的技術。許多電源模組和電源逆變器製造商已在其未來產品藍圖中規劃使用SiC技術。這種寬能隙技術大幅降低了特定負載下的開關損耗和傳導損耗,改善了散熱管理,提供了前所未有的能效。

在功率電子系統中,散熱設計至關重要,它能確保高能量密度,同時縮小電路尺寸。在這些應用中,SiC因其比矽半導體的導熱係數高3倍,而成為理想的半導體材料。

SiC技術適用於功率較高的專案,例如馬達、電動驅動器和逆變器。電動驅動器製造商正在開發新的驅動電路,以滿足轉換器對更高開關頻率的需求,並採用更複雜的拓撲結構來減少電磁干擾(EMI)。

SiC元件所需的外部元件更少,系統佈局更可靠,製造成本也更低。由於SiC的效率更高、外形尺寸更小,以及重量更輕,可降低冷卻要求,以實現智慧設計。

應用

幾家汽車製造商運用全新的動力概念,在市場上率先推出了混合動力車和電動車。這些車輛包含新的元件和系統,例如為引擎提供動力的變頻器(最高達300kW)、3.6W~22kW車載電池充電器、3.6kW~22kW充電器(無線充電)、高達5kW的DC/DC轉換器,以及用於空調和動力轉向(power steering)系統等輔助負載的逆變器。

新型高壓電池是混合動力車和電動車發展的主要障礙之一。利用SiC,汽車製造商可以縮小電池尺寸,同時降低電動車的總成本。此外,由於SiC具有良好的散熱性能,因此製造商還可以降低冷卻動力傳動元件的成本,這有助於減少電動車的重量並降低成本。

車載充電器包含各種功率轉換元件,例如二極體和MOSFET。其目標是透過使用小尺寸被動元件,使功率電子電路體積變小,從而將它們全部整合在一起。如果所用的半導體元件能夠用高開關頻率在相同的電路中進行控制,就可以實現這個目標。但是,由於矽的散熱性能不夠好,高開關頻率解決方案並不適用,SiC MOSFET為此類應用提供了理想的解決方案(圖1)。

20200309NT31P1 圖1 3kW電動車車載充電器。(圖片來源:GaN Systems Inc.)

長期可靠性已成為SiC MOSFET的標誌。功率半導體製造商接下來的任務是開發多晶片功率模組或混合模組,將傳統的矽電晶體和SiC二極體整合在同一物理元件上。由於具有較高的擊穿電壓,這些模組可以在更高的溫度下工作,它們還能提供高效率,同時進一步縮小設備尺寸。

從目前的市場價格來看,SiC MOSFET相較於矽IGBT具有系統級優勢,且隨著150毫米晶圓製造被廣泛採用,預計SiC MOSFET的價格還將繼續下降。一些製造商已經開始生產200毫米(8吋)晶圓,隨著晶圓尺寸的增加,每個裸片的成本將會降低,但良率也可能降低。因此,製造商必須不斷改進製程(圖2)。

20200309NT31P2 圖2 SiC產品目標鎖定提升效率、可靠性和散熱管理的應用。(圖片來源:Littelfuse)

然而,由於SiC元件的製造製程成本較高,並且缺乏量產,因而很難被廣泛使用。SiC元件的批量生產需要精心設計的穩健架構和製造製程,例如在晶圓測試中,需要測試的元件尺寸更小,並且工作在較高的電流和電壓範圍內。

一旦解決了這些難題,OEM設計師將會採用更多的SiC元件,充分利用其良好的電氣特性,大幅降低系統成本並提高整體效率。SiC半導體技術將主要應用於使用車載充電設備和電源逆變器的電動車。

(參考原文: Silicon Carbide Targets the New Power Electronics Industry,by Maurizio Di Paolo Emilio)

本文同步刊登於EDNT Taiwan 2020年3月號雜誌