宽带隙材料满足 EV 功率和效率要求

碳化硅和氮化镓技术在过去几年中取得了巨大的发展，被证明是商业上可用的节能技术。来自领先半导体公司、大学和机构的讲师解释了宽带隙半导体如何实现清洁能源制造、高科技、创造就业和节能。

英飞凌科技 SiC 高级总监 Peter Friedrichs 谈到了SiC功率器件技术，重点关注器件设计、可靠性和系统效益等方面。根据 Friedrichs 的说法，SiC 的价格仍然比硅高很多，这主要是由于衬底(晶圆)制造工艺及其较高的缺陷密度。然而，通过使用多个基板并降低缺陷密度，英飞凌能够降低整体生产成本。

“在给定区域中可以放置的单元越多或通道宽度越多，设备的效率就越高;这也意味着最好的容量利用率是受青睐的概念，”弗里德里希斯说。

第一步，现在已经在英飞凌的工厂生产，通过创新的冷裂技术实现，该技术可以有效地处理晶体材料，并最大限度地减少资源浪费。如今，传统线锯浪费高达 75% 的原材料，而已经部署的 SiC 晶锭切割能够将原材料损失减少 50%。在不久的将来，英飞凌将使用这项技术来分割整个 SiC 晶圆，从而使一个晶圆中的芯片数量增加一倍。

在 SiC 平面 MOSFET 中，沟道电阻通常非常高。这意味着只有在栅极氧化物上施加明显更高的电场时，才能实现低导通电阻作为最终器件。今天，几乎所有常见的 MOSFET 都有超过 3-MW/cm 的电场施加到栅极氧化物上。Planar 是一种相对简单且便宜的加工工艺，可让您在阻塞模式下实现对栅极氧化物的非常好的屏蔽。然而，它具有较低的通道迁移率和有限的器件面积缩小选项。另一方面是沟槽设计，它带来了更低的导通电阻、更小的寄生电容和改进的开关性能等好处。然而，缺点是由于较低的导通电阻而降低了短路容限。

“我们认为碳化硅系统的优势和价值主张是惊人的和独特的，包括太阳能逆变器——在功率处理能力显着提高的同时保持体积和速率几乎恒定——电机驱动和电动汽车充电，尤其是在超高达 350 kW 的大功率充电、非常高的电压、非常高的电流和快速开关，”Friedrichs 说。

下一位演讲者是 PowerAmerica 执行董事兼 CTO Victor Veliadis，他谈到了 SiC 的市场前景和一些关键应用。功率器件是能够切换高电流和阻断高电压的大型分立晶体管。SiC 和 GaN 的临界电场和能隙远高于硅。因为击穿电压与临界电场成反比，如果我们将临界电场提高 10 倍，漂移层的厚度会变小 10 倍，从而降低我们正在制造的器件的电阻。对于特定的击穿电压，电阻将与临界电场的三次方成反比。因此，如果我们有一个大 10 倍的临界电场，该层的电阻贡献将为 1，

“大的临界电场使您能够制造出层数比硅层薄得多的高压器件，”Veliadis 说。“这降低了电阻、相关的传导损耗和整体电容。这使您可以在更高的频率和温度下以更高的效率工作，并且简化了许多磁路、体积和重量。”

虽然硅在高达 650 V 的较低电压下仍然具有竞争力，但 SiC 和 GaN 在较高电压下提供高效的高频和大电流操作。Si、SiC 和 GaN 之间的大战场在 650 V 左右展开，所有器件都适用于 400 V EV 总线电压。

“看看一些机会，第一个是电动汽车的汽车，”Veliadis 说。“用于数据中心的 UPS 是碳化硅可以发挥重要作用的另一个重要领域。其他应用包括绿色基础设施——基本上是光伏和风能——电动机驱动、微电网和快速充电站。这就是需要 6.5 kV 和 10 kV MOSFET 的地方。”

到 2025 年，SiC 器件市场预计将达到 32 亿美元，多年来的复合年增长率惊人，高达 50%。

宽带隙器件可以是横向或纵向配置。漏极和栅极之间的距离越大，器件可以承受的击穿电压就越高。但是，如果我们将这个距离增加这么多，设备会在晶圆上占用过多的空间，从而增加整体成本。解决方案是垂直。我们不是在水平方向上设置一个大的栅极来进行排水分离并占用晶圆上的空间，而是在垂直方向上这样做。这就是绝大多数 SiC 器件采用垂直配置的原因。

田纳西州诺克斯维尔橡树岭国家实验室 (ORNL) 车辆和移动系统研究部门负责人 Burak Ozpineci 介绍了电动汽车的电力电子设备。“我们仍然专注于纯电动汽车，并着眼于超越 200 英里范围、具有 60 千瓦时或更高能量存储的电动汽车，”他说。“我们目前正在研究将电机和电力电子设备集成到底盘内的方法。”

ORNL 的路线图定义了实现 2025 年目标的途径，其中包括提高功率密度、功率水平和车辆可靠性/寿命，将每千瓦的总成本减半。Ozpineci 介绍了 ORNL 在该领域开发的五个主要关键项目：

1. 寻找有助于我们实现更高功率密度的技术。这些技术包括新材料和基板(例如插入热解石墨或直接键合铜的绝缘金属基板)、用于散热器优化的遗传算法以及减小直流母线电容器的体积。

1. 电动机的新拓扑。因为 ORNL 配备了超级计算机设施，所以它可以用来生成电机的高保真模型，例如外转子电机，定子在里面，转子在外面。

1. 外转子电机将逆变器直接集成到电机中，省去了连接器和长电缆，并将电机尺寸减小多达 30%。这是第三个重点项目;也就是集成电驱动。

1. 中型和重型电力驱动。该项目旨在将研究领域从乘用车电驱动和零部件技术扩展到中型和重型电驱动。这意味着更高电压的电池(1,000–1,500 V)、更高的电流水平和更高的充电功率要求(大于 1 MW)。

1. 无线充电。目前，该研究的重点是 200 kW 以上的固定或静态无线充电。目标是达到 270 kW，这是只有 SiC 器件才能实现的功率水平，同时还考虑动态无线充电。

北卡罗来纳州立大学的 Iqbal Husain 谈到了驱动电动汽车高速电机的宽带隙电力电子设备。电动动力系统中使用的四个主要功率转换领域是逆变器、DC/DC 转换器、为低压电子设备供电的转换器和车载充电器。因此，SiC 器件提供了这个机会，可以在各种转换器中使用更小、更冷和更轻的系统来实现更小的电池或更长的行驶里程。

“在所有这些领域，都有使用碳化硅器件的机会，因为它们在可用性和商业生产方面的进步和所处的阶段，”侯赛因说。“我们的最终目标是提高效率和功率密度。”