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SiC 器件正在取代现有 Si 器件的高影响力应用机会已经出现

时间：2022-12-24 10:30:03

关键字： SiC 器件商业化

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[导读]SiC 器件正在取代现有 Si 器件的高影响力应用机会已经出现，包括 xEV 和铁路电力电子设备，具有更低的损耗和更低的冷却要求;具有降低冷却负荷和更高效率的新型数据中心拓扑结构;用于高效大功率电动机的变频驱动器，可降低整体系统成本;更高效、灵活和可靠的网格应用程序，减少系统占用空间;以及“更多电动航空航天”，重量、体积和冷却系统的减少有助于节能。就电动汽车而言，目前大多数使用 400V 总线架构，因此 650V SiC 器件与成熟且坚固的硅 IGBT 竞争，而 GaN 则在利润丰厚的牵引逆变器、DC/DC 转换器和车载充电器中竞争市场。

SiC 器件正在取代现有 Si 器件的高影响力应用机会已经出现，包括 xEV 和铁路电力电子设备，具有更低的损耗和更低的冷却要求;具有降低冷却负荷和更高效率的新型数据中心拓扑结构;用于高效大功率电动机的变频驱动器，可降低整体系统成本;更高效、灵活和可靠的网格应用程序，减少系统占用空间;以及“更多电动航空航天”，重量、体积和冷却系统的减少有助于节能。就电动汽车而言，目前大多数使用 400V 总线架构，因此 650V SiC 器件与成熟且坚固的硅 IGBT 竞争，而 GaN 则在利润丰厚的牵引逆变器、DC/DC 转换器和车载充电器中竞争市场。

因此，650-V 范围是一个“战场”，其中每种材料器件都带来独特且引人注目的竞争优势。应该注意的是，为了提高效率——相同电池的续航里程更长或较小电池的续航里程相同——以及快速充电，电动汽车正在迅速过渡到 800V 总线架构。在此电压下，1,200-V SiC MOSFET 具有整体优势，因为它们于 2011 年实现商业化并经过几代优化。现在正在发生的电动汽车中的 SiC 插入是一个批量应用机会，可以进一步刺激 SiC 制造的规模经济和降低系统成本。应该注意的是，为了提高效率——相同电池的续航里程更长或较小电池的续航里程相同——以及快速充电，电动汽车正在迅速过渡到 800V 总线架构。在此电压下，1,200-V SiC MOSFET 具有整体优势，因为它们于 2011 年实现商业化并经过几代优化。现在正在发生的电动汽车中的 SiC 插入是一个批量应用机会，可以进一步刺激 SiC 制造的规模经济和降低系统成本。应该注意的是，为了提高效率——相同电池的续航里程更长或较小电池的续航里程相同——以及快速充电，电动汽车正在迅速过渡到 800V 总线架构。在此电压下，1,200-V SiC MOSFET 具有整体优势，因为它们于 2011 年实现商业化并经过几代优化。现在正在发生的电动汽车中的 SiC 插入是一个批量应用机会，可以进一步刺激 SiC 制造的规模经济和降低系统成本。

随着 SiC 的持续增长，该行业正在消除大规模商业化的最后障碍，包括高于 Si 的器件成本、基面位错 (BPD) 的存在、可靠性和坚固性问题以及对熟练掌握 SiC 的劳动力的需求电源技术跟上不断增长的需求。目前，SiC 晶圆占 SiC 器件总成本的 55% 至 70%，这是其独特的复杂制造细节的结果。传统的 SiC 衬底主要通过种子升华技术在约 2,500˚C 的温度下生长，这给过程控制带来了挑战。晶体膨胀有限，需要使用大的优质晶种，升华生长速率可能相对较低，约为 0.5 至 2 mm/h。位错通过晶锭传播并存在于器件晶圆中。此外，与金刚石相当的 SiC 材料硬度使得 SiC 衬底的锯切和抛光相对于 Si 来说速度慢且成本高。然而，在许多应用中，与 Si 相比，插入 SiC 可降低整体系统成本，尽管 SiC 器件的成本可能比其对应的 Si 器件高 2 至 3 倍。这是由于高效高频 SiC 操作实现了无源元件小型化和冷却系统简化。

大多数“致命”缺陷在现代 SiC 晶圆中几乎已被消除。BPD 是主要的残留缺陷，会降低器件性能并影响良率。BPD 可以从晶圆衬底传播到制造器件的外延层厚度。BPD 也可以在高温离子注入制造过程中产生。在商用晶圆中，超过 95% 的衬底 BPD 在通过 CVD 离轴生长的外延层中传播为相对“良性”的螺纹边缘位错。阈值电压不稳定性是 SiC MOSFET 中主要的可靠性问题，它主导着基于 SiC 的电力电子应用。这主要是由于 SiC/栅极氧化物界面处的氧化物陷阱。SiC MOSFET 阈值电压的正向偏移具有增加传导损耗的有害影响，而负向偏移则不可取，因为它可以自发地开启晶体管。通过利用设计权衡，可以使 SiC 器件更加坚固耐用。这与智能栅极驱动相结合，可以提供足够的短路保护。

为了培训宽带隙 (WBG) 劳动力并加速清洁能源制造、创造就业机会和节能，美国能源部创建了 PowerAmerica 联盟。今天，PowerAmerica 由会员支持/驱动，致力于解决 WBG 功率半导体技术方面的差距，以促进其发展。

PowerAmerica 是一个成员支持/驱动的联盟，旨在解决 WBG 半导体电力技术方面的差距，以加速清洁能源制造、创造就业机会和节能。

在过去六年中，PowerAmerica 在 200 多个功率 SiC/GaN 大学/行业合作项目中投资了 1.47 亿美元，涉及所有主要应用，包括汽车和铁路牵引、车载充电器、航空航天、光伏、灵活的交流输电系统、高压直流系统、微电网、储能、电机驱动、UPS 和数据中心。其教育活动已在应用 WBG 项目中培训了 410 名大学生，并吸引了超过 3,700 名参与者参加教程、短期课程和网络研讨会。这有助于培养一支经验丰富的员工队伍，他们能够熟练地充分发挥 WBG 系统的插入潜力。