碳化硅（SiC）是一種由硅和碳組成的半導體材料，用于制造電動汽車（EV）、電源、電機控制電路和逆變器等高壓應用的功率器件。與IGBT和MOSFET等傳統的硅基功率器件相比，SiC具有多項優勢，這些器件憑借其成本效益和制造工藝的簡單性而長期主導市場。

在電力電子應用中，固態器件需要能夠在高開關頻率下工作，同時提供低導通電阻、低開關損耗和出色的熱管理。在電子領域，設計人員面臨著幾個嚴峻的挑戰，目的是最大限度地提高效率、減小尺寸、提高設備的可靠性和耐用性以及降低成本。與傳統的硅基技術相比，使用寬帶隙（WBG）材料（如SiC）可實現更高的開關速度和更高的擊穿電壓，從而實現更小、更快、更可靠、更高效的功率器件。在圖1中，比較了硅和SiC的一些主要電氣特性。

在制造工藝方面，迄今為止最困難的挑戰之一是從100毫米（4英寸）晶圓過渡到150毫米（6英寸）晶圓。雖然晶圓尺寸的增加提供了大幅降低組件單位成本的優勢，但另一方面，它在消除缺陷和提高交付半導體的可靠性方面提出了苛刻的挑戰。

市場帶來的挑戰主要涉及對電源解決方案的需求，以滿足對汽車電氣化和電池充電系統日益增長的需求。汽車行業無疑是碳化硅生產商主要精力集中的行業之一。制造下一代電動汽車將需要一種滿足高效率和可靠性、消除缺陷和降低成本的嚴格要求的技術。

制造挑戰

盡管SiC的特性早已為人所知，但第一批SiC功率器件的生產相對較新，從2000年代初開始部署100毫米晶圓。幾年前，大多數制造商完成了向150毫米晶圓的過渡，而200毫米（8英寸）晶圓的大規模生產將在未來幾年內投入運營。

碳化硅晶圓從4英寸到6英寸的過渡并非沒有問題，這與難以保持相同的質量和相同的產量有關。碳化硅生產的主要挑戰涉及材料的特性。由于其硬度（幾乎像金剛石一樣），SiC需要更高的溫度、更多的能量以及更多的晶體生長和加工時間。此外，使用最廣泛的晶體結構（4H-SiC）具有高透明度和高折射率的特點，因此很難檢查材料是否存在可能影響外延生長或最終組件良率的表面缺陷。

碳化硅襯底制造過程中可能出現的主要缺陷是晶體堆疊故障、微管、凹坑、劃痕、污漬和表面顆粒。這些因素可能會對SiC器件的性能產生不利影響，在150毫米晶圓上比在100毫米晶圓上更頻繁地檢測到這些因素。由于碳化硅是世界上第三硬的復合材料，而且非常脆弱，因此其生產帶來了與周期時間、成本和切割性能相關的復雜挑戰。

可以肯定的是，即使改用200毫米晶圓也會帶來重大問題。事實上，面對不可避免的更高密度的缺陷，有必要保證基板的相同質量。

電動汽車中的碳化硅

碳化硅器件的主要應用之一是汽車，特別是電動汽車和插電式混合動力電動汽車（PHEV）的生產。下一代電動汽車需要能夠提高車輛效率（從而增加續航里程）和電池充電速度的功率器件。

碳化硅逆變器被證明是滿足這些要求的關鍵解決方案。除了將輸入直流電轉換為交流電外，逆變器還根據驅動需要控制提供給電機的功率水平。隨著汽車電動客車從400 V逐步過渡到800 V，逆變器的作用變得更加重要。傳統逆變器在將能量從電池傳輸到電機方面提供的效率約為97%至98%，而基于SiC的逆變器可以達到高達99%的效率。需要強調的是，效率提高到小數點后一位或兩位，會給整輛車帶來非常顯著的優勢。硅基IGBT和SiC基MOSFET的導通開關損耗比較如圖2所示，與硅相比，SiC可以降低76%的損耗。

碳化硅逆變器是這些類型應用的理想選擇，因為它們可以承受高電壓和高溫，并允許減小所有其他組件的尺寸。通過使用電壓為800 V的電池，可以減少所需的電流，并使用更小的電纜，從而降低成本和車輛重量，并簡化電氣系統的組裝階段。總的來說，這提高了EV或PHEV的續航里程和效率。通過使用基于SiC的大功率DC/DC轉換器，通過使用800V電池，可以大幅縮短充電時間（與400V電池所需的時間相比，最多可縮短五分之一）。它們的高效率使得在充電過程中最大限度地轉移到電池的能量成為可能，功率損耗可以忽略不計。

5G技術

碳化硅允許功率器件在更高的溫度、電壓和開關頻率下工作，使電力電子模塊比使用傳統半導體（如硅）制成的模塊更強大、更節能。碳化硅的主要優點可歸納如下：

更高的開關頻率

更高的工作溫度

效率更高

更低的開關損耗

高功率密度

減小尺寸和重量

更好的熱管理

碳化硅的作用領域注定會擴大，包括所有需要比基于硅技術的傳統器件更高效率或更高功率密度的關鍵應用。盡管這兩種技術之間存在成本差異，但在電信行業等多種電源應用中使用SiC有助于降低系統的總體成本。例如，這是由于取消了散熱器和冷卻系統，或者由于無源器件的尺寸和成本的減小。

SiC最具挑戰性的應用當然是5G移動技術，其速度比之前的20G LTE技術高出4×。為了更快地運行，我們需要能夠處理更高功率密度、具有更好熱效率（避免危險的硬件系統過熱）并針對實現高效率進行優化的設備。這些雄心勃勃的性能目標與SiC器件（如功率MOSFET和肖特基二極管）的優勢完美匹配，這些器件能夠在幾百伏的電壓和高于硅所能承受的溫度下工作。

對能源的需求不斷增長，可再生能源的使用日益廣泛，使微電網在減少溫室氣體排放和減少化石燃料能源方面發揮了根本性作用。然而，硅基固態逆變器和開關體積龐大且效率低下，無法用于微電網系統。由于具有更高的擊穿電壓和開關頻率，SiC等WBG半導體正在成為構建高效可靠微電網的基本組件。

由于從非線性負載中汲取非正弦電流，連接到網絡的大量電子設備在能量分配系統中產生了大量的諧波。消除能量分配系統中諧波失真的傳統技術之一是使用適當的有源或無源濾波器。基于SiC的功率器件能夠在特別高的開關電壓和頻率下工作，可以將諧波補償功能直接集成到轉換器中，無需專用濾波器，從而減小了設計的尺寸、復雜性和成本。

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審核編輯：湯梓紅