作者@@：安森美@@ Ajay Sattu
在工业@@、汽车和@@可再生能源应用中@@@@，基于宽禁带@@ (WBG) 技术@@的组件@@，比如@@ SiC，对提高@@能效至@@关重要@@。在本文中@@，安森美@@ (onsemi) 思考下一代@@ SiC 器件将如何发展@@，从而@@实现更高的能效和@@更小的尺寸@@，并讨论对于@@转用@@ SiC 技术@@的公司而@@言@@，建立稳健的供应链为@@何至@@关重要@@。
在广泛的工业系统@@（如电动汽车充电基础设施@@）和@@可再生能源系统@@（如太阳能光伏@@ (PV)）应用中@@，MOSFET 技术@@、分立式封装@@和@@功率模块的进步有助于提高@@能效并降低成本@@。然而@@@@，平衡成本和@@性能对于@@设计人员来说是一项持续的挑战@@，必须在不增加太阳能逆变器的尺寸或@@散热成本的情况下@@，实现更高的功率@@。实现这一平衡非常有必要@@，因为@@降低充电成本将是提高@@电动汽车普及率的关键推动因素@@。
汽车的能效与车载电子@@器件的尺寸@@、重量和@@成本@@息息相关@@，这些@@都会影响车辆的行驶里程@@。在电动@@/混动汽车中使用@@ SiC 取代@@ IGBT 功率模块可显著改进性能@@，尤其@@是在主驱逆变器中@@，因为@@这有助于显著提高@@车辆的整体能效@@。轻型乘用车主要在低负载条件下工作@@@@，在低负载下@@，SiC 的能效优势比@@ IGBT 更加明显@@。车载充电器@@ (OBC) 的尺寸和@@重量也会影响车辆行驶里程@@。因此@@，OBC 必须设计得尽可能小@@，而@@ WBG 器件具有较高的开关频率@@，在这方面发挥着至@@关重要的作用@@。
SiC 技术@@的优势@@
为@@了最大限度减少电源转换损耗@@，需要使用具有出色品质因数的半导体功率开关@@。电源应用中@@使用的硅基半导体器件@@（IGBT、MOSFET 和@@二极管@@）的性能改进@@，加上电源转换拓扑方面的创新@@，使能效大幅提升@@。然而@@@@，由于硅基半导体器件已接近其@@理论极限@@，在新应用中@@它们正逐渐被@@ SiC 和@@氮化镓@@ (GaN) 等宽禁带@@ (WBG) 半导体取代@@@@。
图@@ 1：多种应用可从@@ SiC 器件的特性@@中受益@@
对更高性能@@、更大功率密度和@@更优性能的需求不断挑战着@@ SiC 的极限@@。得益于宽禁带特性@@，SiC 能够承受比硅更高的电压@@（1700V 至@@ 2000V）。同时@@，SiC 本身还具有更高的@@电子@@迁移率和@@饱和@@速度@@。因此@@，它能够在明显更高的频率和@@结温下工作@@@@，对电源应用而@@言非常理想@@。此外@@，SiC 器件的开关损耗相对更低@@，这有助于降低无源组件的尺寸@@、重量和@@成本@@。
图@@ 2：SiC 为@@电源系统带来诸多优势@@
SiC 器件的导通损耗和@@开关损耗更低@@，因此@@降低了对散热的要求@@。再加上它能够在高达@@ 175°C 的结温@@ (Tj) 下工作@@，因而@@对风扇和@@散热片等散热措施的需求减少@@。系统尺寸@@、重量和@@成本@@也得以减小@@，并且在空间@@受限的应用中@@也能保障更高的可靠性@@。
需要更高电压@@
通过增加电压以减少电流@@，可减少在所需功率下的损耗@@。因此@@，在过去@@几年里@@，来自@@ PV 板的直流母线@@电压@@已从@@ 600 V 提高@@到@@ 1500 V。同样地@@，轻型乘用车中的@@ 400 V 直流母线@@可提升到@@ 800 V 母线@@（有时可提高@@到@@@@ 1000 V）。过去@@，对于@@ 400 V 母线@@电压@@，所用器件的额定电压为@@@@ 750 V。现在@@，需要具有更高额定电压@@（1200 V 至@@ 1700 V）的器件@@，以确保这些@@应用能够安全@@、可靠地工作@@。
SiC 的最新进展@@
为@@了满足@@对具有更高击穿电压的器件@@的需求@@，安森美@@开发了@@ 1700V M1 平面@@ EliteSiC MOSFET 系列@@产品@@，针对快速开关应用进行了优化@@。NTH4L028N170M1 是该系列@@首批器件中的一款@@，其@@ VDSS 为@@ 1700 V，具有更高的@@ VGS，为@@ -15/+25 V，并且其@@@@ RDS(ON) 典型值仅@@ 28 mW。
这些@@ 1700 V MOSFET 可在高达@@ 175°C 的结温@@ (Tj) 下工作@@，因而@@能够与更小的散热片结合使用@@，或@@者有时甚至@@不需要使用散热片@@。此外@@，NTH4L028N170M1 的第四个引脚上有一个开尔文源极连接@@（TO-247-4L 封装@@），用于降低导通功耗和@@栅极噪声@@。这些@@开关还提供@@@@ D2PAK–7L 封装@@，具有更低的封装@@寄生效应@@。
图@@ 3：安森美@@的新型@@ 1700 V EliteSiC MOSFET
采用@@ TO-247-3L 和@@ D2PAK-7L 封装@@的@@ 1700 V 1000 mWSiC MOSFET 也已投产@@，适用于电动汽车充电和@@可再生能源应用中@@的高可靠性辅助电源单元@@。
安森美@@开发了@@ D1 系列@@ 1700 V SiC 肖特基二极管@@。1700 V 的额定电压可在@@ VRRM 和@@反向重复峰值电压之间为@@器件提供更大的电压裕量@@。该系列@@器件具有更低的@@ VFM（最大正向电压@@）和@@出色的反向漏电流@@，有助于实现在@@高温高压下稳定运行的设计@@。
图@@ 4：安森美@@的新型@@ 1700 V 肖特基二极管@@
NDSH25170A 和@@ NDSH10170A 器件以@@ TO-247-2 封装@@和@@裸片两种形式供货@@，还提供@@ 100A 版本@@（无封装@@@@）。
供应链考量@@
由于可用组件短缺@@，一些电子@@行业领域的生产已受到影响@@。因此@@，在选择新技术@@产品的供应商@@时@@，务必考虑供应商@@按时履行订单的能力@@。为@@保障向客户的产品供应@@，安森美@@最近收购了@@ GT Advanced Technology (GTAT)，以利用@@ GTAT 在物流方面的专长和@@经验@@。安森美@@是目前为@@数不多具有端到端能力的大型@@ SiC 供应商@@，包括晶锭批量生长@@、衬底制备@@@@、外延@@、器件制造@@、集成模块和@@分立式封装@@解决方案@@。为@@了满足@@ SiC 应用的预期增长需求@@，安森美@@计划在@@ 2024 年之前将衬底业务的产能提高@@数倍@@，并扩大公司的器件@@和@@模块产能@@，在未来实现进一步扩张@@。
总结@@
在不断发展的汽车@@、可再生能源和@@工业应用中@@@@，工程师将能够借助@@ SiC 器件的特性@@，解决功率密度和@@散热方面的诸多挑战@@。凭借@@ 1700V 系列@@ SiC MOSFET 和@@二极管@@，安森美@@满足了市场对具有更高击穿电压的器件@@的需求@@。此外@@，安森美@@还为@@新兴的太阳能@@、固态变压器和@@固态断路器应用开发了@@ 2000V SiC MOSFET 技术@@。