功率半導體碳化硅（SiC）技術

Silicon Carbide Adoption Enters Next Phase

碳化硅（SiC）技術的需求繼續增長，這種技術可以最大限度地提高當今電力系統的效率，同時降低其尺寸、重量和成本。但碳化硅溶液并不是硅的替代品，它們也并非都是一樣的。為了實現碳化硅技術的承諾，開發人員必須仔細評估基于質量、供應和支持的產品和供應商選項，并且他們必須了解如何優化將這些破壞性碳化硅電源組件集成到其最終系統中。

對功率半導體器件的需求日益增長，推動了寬帶隙半導體市場的發展。主要參與者一直在投資于SiC和GaN材料和晶圓的開發和大規模生產。WBG市場走向何方？誰是主導者？它們如何解決數十年來一直存在的成本高、數量有限和供應鏈受限的問題？這個EE時代的特別項目將揭示WBG半導體市場的技術、應用和動態。

越來越多的采用

碳化硅技術正處于一個急劇上升的采用曲線上。隨著來自多個組件供應商的選擇范圍越來越廣，產品可用性也越來越高。該市場在過去三年中翻了一番，預計在未來10年內將增長20倍，價值超過100億美元。其應用范圍正在超越車載混合動力和電動汽車（H/EV）應用，擴展到列車、重型車輛、工業設備和電動汽車充電基礎設施內的非自動動力和電機控制系統。航空和國防供應商也在努力提高碳化硅的質量和可靠性，以滿足這些行業對部件堅固性的嚴格要求。

碳化硅開發計劃的一個關鍵部分是驗證碳化硅器件的可靠性和堅固性，因為這在供應商之間有很大的不同。隨著對整個系統關注度的不斷提高，設計人員也需要對供應商的產品供應范圍進行評估。重要的是，設計師與供應商合作，提供靈活的解決方案，如模具、離散和模塊選項，這些選項由全球分銷和支持，以及全面的設計模擬和開發工具支持。希望將來證明其設計的開發人員還需要探索最新的功能，例如數字可編程門驅動程序，它可以解決早期的實現問題，同時通過按鍵實現系統性能“調整”。

足夠的雪崩能力是至關重要的：即使是無源器件的小故障也可能導致超過額定擊穿電壓的瞬態電壓尖峰，最終導致設備或整個系統的故障。具有足夠雪崩能力的sicmosfet減少了對緩沖電路的需求，延長了應用壽命。最好的選擇顯示高達25焦耳每平方厘米（J/cm~2）的用戶界面能力。即使在重復進行100000次UIS（RUIS）測試之后，這些設備也幾乎沒有參數退化。              

第二個關鍵測試是短路耐受時間（SCWT），即在鋼軌對鋼軌短路條件下，設備故障前的最長時間。其結果應與用于功率轉換的igbt接近，其中大多數igbt具有5到10微秒的SCWT。確保足夠的SCWT使系統有機會在不損壞系統的情況下運行故障條件。

第三個關鍵指標是SiC MOSFET本征體二極管的正向電壓穩定性。這在不同的供應商之間可能有很大的不同。如果沒有合適的器件設計、工藝和材料，這種二極管的導電性在工作過程中可能會降低，從而導致通態漏源電阻（RDSon）的增加。圖1揭示了存在的差異。在俄亥俄州立大學進行的一項研究中，對三家供應商的mosfet進行了評估。結果表明，供應商B的所有器件正向電流均出現退化，而供應商C的mosfet則沒有退化。

圖1. 單擊圖像放大。SiC mosfet的正向特性，顯示了供應商在體二極管退化方面的差異。（俄亥俄州立大學Anant Agarwal博士和Min Seok Kang博士。）

一旦設備可靠性得到驗證，下一步就是評估這些設備周圍的生態系統，包括產品選擇的廣度、可靠的供應鏈和設計支持。

供應、支持和系統級設計

隨著碳化硅供應商數量的不斷增加，如今的碳化硅公司可以在設備選擇上有所不同，此外，還可以提供支持和供應許多嚴格的碳化硅市場（如汽車、航空航天和國防）的經驗和基礎設施。

電力系統的設計隨著時間的推移和設計的不同世代而不斷改進。碳化硅的應用也不例外。早期的設計可以在非常標準的通孔或表面安裝封裝選項中使用廣泛可用的標準離散電源產品。隨著應用程序數量的增長和設計師專注于減小尺寸、重量和成本，他們通常會將設計轉移到集成電源模塊，或者選擇三方合作伙伴關系。這三方合作伙伴包括最終產品設計團隊、模塊制造商和碳化硅模具供應商。它們在實現總體設計目標方面都起著關鍵作用。

供應鏈問題是快速增長的碳化硅市場中一個關鍵和合理的關注點。碳化硅基片材料是碳化硅模具制造流程中成本最高的材料。此外，碳化硅制造需要開發硅基電力產品和集成電路所不需要的高溫制造設備。設計人員必須確保碳化硅供應商有一個強大的供應鏈模型，包括在自然災害或重大產量問題時的多個生產地點，以確保供應始終能夠滿足需求。許多組件供應商還終止了老一代設備的使用壽命（EOL），迫使設計師花費時間和資源重新設計現有的應用程序，而不是開發有助于降低最終產品成本和增加收入的新的創新設計。

設計支持也很關鍵，包括有助于縮短開發周期的仿真工具和參考設計。通過解決SiC設備的控制和驅動問題的解決方案，開發人員可以探索諸如增強交換之類的新功能，以實現整個系統方法的全部價值。圖2顯示了一個基于SIC的系統設計，集成了數字可編程門驅動器，進一步加快了生產時間，同時創造了優化設計的新方法。

圖2. 模塊適配器板與柵極驅動核心相結合，提供了一個通過增強交換快速評估和優化新型SiC功率器件的平臺。

設計優化的新選擇

數字可編程門控驅動器選項通過增強開關最大限度地提高了SiC的效益。它們可以方便地配置SiC MOSFET的開關時間和電壓水平，因此設計者可以加快開關速度，提高系統效率，同時降低與柵極驅動器開發相關的時間和復雜性。開發人員不必手動改變PCB，而是可以使用配置軟件，通過按鍵來優化基于SiC的設計，在加快上市時間的同時，提高效率和故障保護。

圖3. 使用數字可編程門驅動器實現最新的增強開關技術有助于解決碳化硅噪聲問題，加快短路響應，有助于管理電壓超調問題，并將過熱降至最低。

隨著SiC在更廣泛的應用中的應用日益廣泛，早期的SiC采用者已經在汽車、工業、航空航天和國防領域實現了收益。成功將繼續依賴于驗證SiC器件可靠性和堅固性的能力。當開發人員采用整體解決方案策略時，他們將需要一個完整可靠的全球供應鏈和所有必要的設計模擬和開發工具支持的綜合產品組合。他們還將有新的機會，通過數字可編程門控驅動的軟件可配置設計優化的新功能，在未來進行經得起考驗的投資。

總結

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