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  SiC高性能碳化硅器件等寬禁帶 (WBG) 器件對(duì)于當(dāng)今汽車和可再生能源等應(yīng)用至關(guān)重要。隨著我們的世界逐漸轉(zhuǎn)向使用可持續(xù)能源(主要是電力)，能效比以往任何時(shí)候都更重要。提高開關(guān)模式能效的方法之一是降低銅損和開關(guān)損耗。然而，為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，直流母線電壓不斷上升，半導(dǎo)體技術(shù)必須發(fā)展以跟上步伐。這些技術(shù)對(duì)企業(yè)實(shí)現(xiàn)碳減排承諾至關(guān)重要。

在工業(yè)領(lǐng)域，MOSFET 和功率模塊的進(jìn)步正被用于優(yōu)化各種工業(yè)系統(tǒng)的能效和系統(tǒng)成本。有兩個(gè)領(lǐng)域特別受益，即電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施和替代/可再生能源應(yīng)用(如太陽(yáng)能)。

SiC 技術(shù)用于當(dāng)今應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)

  汽車和工業(yè)應(yīng)用中的所有電源轉(zhuǎn)換都依賴基于半導(dǎo)體的開關(guān)器件和二極管去實(shí)現(xiàn)高能效和降低轉(zhuǎn)換損耗。因此，半導(dǎo)體行業(yè)一直在努力提高電源應(yīng)用中使用的硅基半導(dǎo)體器件的性能，特別是 IGBT、MOSFET 和二極管。加之電源轉(zhuǎn)換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的創(chuàng)新，可實(shí)現(xiàn)前所未有的性能。

圖 1：多種應(yīng)用需要充分利用SiC 技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

隨著現(xiàn)有硅基半導(dǎo)體器件達(dá)到其能力極限，為了繼續(xù)提高能效，我們需要新的材料。寬禁帶 (WBG) 材料，如 SiC 和氮化鎵 (GaN) 等，在未來(lái)頗具發(fā)展前景。電氣系統(tǒng)對(duì)更高性能、密度和可靠性的需求，正在推動(dòng) SiC 技術(shù)突破極限。

  無(wú)論是用于汽車主驅(qū)、太陽(yáng)能逆變器抑或電動(dòng)汽車充電器，基于 SiC 的 MOSFET 和二極管產(chǎn)品都能提供比現(xiàn)有硅基 IGBT 和整流器更好的性能和更低的系統(tǒng)級(jí)成本。SiC 的寬帶隙特性支持比硅更高的臨界場(chǎng)，因此可實(shí)現(xiàn)更高的阻斷電壓能力，例如 1700 V 和 2000 V。而且，SiC 的電子遷移率和飽和速度本質(zhì)上就高于 Si 器件，因此能夠在顯著更高的頻率和結(jié)溫下工作，這兩點(diǎn)都是非常有優(yōu)勢(shì)的。此外，基于 SiC 的器件開關(guān)損耗相對(duì)更低，頻率更高，，這有助于減小相關(guān)無(wú)源元件(包括磁性元件和電容)的尺寸、重量和成本。

圖 2：SiC 等寬禁帶材料給電源系統(tǒng)帶來(lái)多方面好處

  由于導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗顯著降低，基于 SiC 的電源方案產(chǎn)生的熱量更少。另外，SiC 器件能夠在高達(dá) 175°C 的結(jié)溫 (Tj) 下工作，這意味著對(duì)風(fēng)扇和散熱器等散熱措施的需求顯著減少，系統(tǒng)尺寸、重量和成本得以節(jié)省，并且即使在具有挑戰(zhàn)性、空間受限的應(yīng)用中也能確保更高的可靠性。

對(duì)更高電壓器件的需求

  SiC 的寬帶隙特性支持比硅更高的臨界場(chǎng)，因此可實(shí)現(xiàn)更高的阻斷電壓能力，例如 1700 V 和 2000 V。對(duì)于給定的功率，提高電壓會(huì)降低總電流需求，從而降低總銅損。在太陽(yáng)能光伏 (PV) 系統(tǒng)等可再生能源應(yīng)用中，來(lái)自 PV 板的直流母線電壓已從 600 V 提高到 1500 V 以提升能效。類似地，輕型乘用車正從 400 V 母線過(guò)渡到 800 V 母線(某些情況下為 1000 V 母線)，以提高能效并縮短充電時(shí)間。過(guò)去，對(duì)于 400 V 母線電壓，所用器件的額定電壓為 750 V，但現(xiàn)在需要更高的額定電壓，例如 1200 V，甚至 1700 V，以確保器件在這些應(yīng)用中可靠地工作。

  為了滿足更高擊穿電壓的需求，安森美開發(fā)了一系列 1700 V M1 平面 EliteSiC MOSFET 器件，針對(duì)快速開關(guān)應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。NTH4L028N170M1 是這首批器件中的一款，其 VDSS 為 1700 V，并且具有更高的 VGS 為-15/+25 V 。該器件的 RDS(ON) 典型值超低僅 28 mW。

  新型 1700 V MOSFET 可以在高達(dá) 175°C 的結(jié)溫 (Tj) 下工作，相關(guān)的散熱器尺寸可以大幅減小，甚至完全無(wú)需散熱器。NTH4L028N170M1 的第四個(gè)引腳上有一個(gè)開爾文源極連接(TO-247-4L 封裝)，這可以降低導(dǎo)通功耗和柵極噪聲。還有一種 D2PAK–7L 配置，它能進(jìn)一步減小 NTBG028N170M1 等器件中的封裝寄生效應(yīng)。

圖 3：安森美的新型 1700 V EliteSiC MOSFET

  安森美即將推出采用 TO-247-3L 和 D2PAK-7L 封裝的 1700 V 1000 mW SiC MOSFET，適用于電動(dòng)汽車充電和可再生能源應(yīng)用中的高可靠性輔助電源單元。

  除 MOSFET 之外，安森美還開發(fā)了一系列 1700 V SiC 肖特基二極管。具有該額定值的 D1 系列器件可在二極管的 反向峰值電壓(VRRM) 和反向重復(fù)峰值電壓之間提供更大的電壓裕量。特別是，新器件即使在高溫下也能提供更低的 正向峰值電壓(VFM)、最大正向電壓和出色的反向漏電流，使設(shè)計(jì)人員能夠?qū)崿F(xiàn)在高溫高壓下穩(wěn)定運(yùn)行的設(shè)計(jì)。

圖 4：安森美的新型 1700 V 肖特基二極管

  新器件(NDSH25170A 和 NDSH10170A)可以 TO-247-2L 封裝和裸片兩種形式供貨，還有一種無(wú)封裝的 100 A 版本。

  借助 SiC 的性能，設(shè)計(jì)人員將能滿足當(dāng)今具挑戰(zhàn)的應(yīng)用需求，包括汽車、可再生能源和工業(yè)應(yīng)用的需求，尤其是功率密度和散熱方面。

  SiC 技術(shù)在逐漸成熟，關(guān)鍵應(yīng)用領(lǐng)域在不斷發(fā)展和進(jìn)步，因此 SiC 也必須同步發(fā)展以滿足日益增長(zhǎng)的需求。例如，對(duì)更高擊穿電壓的需求，安森美推出了新的 1700 V SiC MOSFET 和二極管滿足了這一需求。此外，安森美目前正在開發(fā) 2000 V SiC MOSFET 技術(shù)，以支持太陽(yáng)能、固態(tài)變壓器和電子斷路器等新興應(yīng)用。