SiC 器件取代服務器、電機、EV 中的 Si MOSFET 和二極管

我們似乎永無止境地需要以更高的效率交付的更多動力，而且這種需求沒有盡頭。即使單個組件降低了運行功率水平，它們所支持的系統(tǒng)也有望發(fā)揮越來越大的作用。因此，總功率需求正在增加，很容易超過單個組件所需功率的減少。

當然，電力需求增長的很大一部分是由于服務器和數(shù)據(jù)中心等大型設施造成的。然而，原因要廣泛得多。例如，電動機正在向長期由液壓動力或內燃機主導的應用領域取得重大進展。這包括電動汽車和混合動力電動汽車（EV 和 HEV）以及大型機器人和重型建筑設備。

這些電力系統(tǒng)的工作室組件是硅基 MOSFET 和 IGBT。在過去的幾十年中，這兩種電源開關都取得了顯著改進，其能力擴展到高電壓和功率水平，并且靜態(tài) (R DS(ON) ) 和動態(tài)（開關）損耗均有所降低。不過現(xiàn)在，這些努力已經達到了回報與研發(fā)成本遞減的地步。

一個新的競爭者變得非常真實

幸運的是，有一種顛覆性的技術已經發(fā)展了很多年，并且已經足夠成熟，可以用于大規(guī)模安裝并達到其市場采用拐點?；谔蓟?(SiC) 的開關設備（包括晶體管和二極管）正在重新定義電源相關電路的功能。與當今最好的純硅 MOSFET、IGBT 和二極管相比，它們的效率和范圍要好得多，并且已經在頂級數(shù)據(jù)中心和服務器場中廣泛使用。

Yole Développement 于 2017 年 8 月發(fā)布的一份市場報告“Power SiC 2017：材料、設備、模塊和應用”對這種情況給出了一些數(shù)字。他們的研究認為，“SiC 技術的采用將在 2019 年加速，達到臨界點?！?該報告補充說：“……SiC 功率市場（二極管和晶體管）在 2015 年估計超過 2 億美元 (USD)，預計到 2021 年將超過 5.5 億美元，2015-2021 年的復合年增長率為 19%。SiC 二極管仍以 85% 的市場份額主導整個 SiC 市場……這一領先地位在數(shù)年內都不會改變。與此同時，碳化硅晶體管……應該在 2021 年達到 27% 的市場份額?！?/p>

他們的采用通常具有降低成本、增加設計人員經驗、創(chuàng)建更全面的規(guī)范和驗證可靠性數(shù)據(jù)的有益連鎖反應。所有功率級都受益，從高壓交流電到中檔直流電，甚至個位數(shù)直流軌電壓。（請注意，在基于氮化鎵的功率器件中也有類似的吸收，但沒有那么大。）

碳化硅優(yōu)勢

基于 SiC 的功率 MOSFET 和二極管是寬帶隙 (WBG)固態(tài)器件，它們與純硅器件既相似又不同。（它們的帶隙在 2 到 4eV 的范圍內，而硅的帶隙在 1 到 1.5eV 的范圍內。）雖然基礎物理相當復雜，但 WBG 材料至少在原則上能夠制造在顯著由于材料的固有特性，擊穿電壓和溫度更高（通常為 200° 至 300°C）。他們還通過更小、更輕的封裝和更高的效率實現(xiàn)了這一點。

雖然更小、更輕的封裝的優(yōu)點是顯而易見的，但為什么更高的電壓和溫度也是可取的呢？更高的電壓之所以具有吸引力，是因為它們一直以來的原因：對于相同的輸送功率 (P = VI)，它們可以降低電流水平，從而減少不可避免的壓降 (V = IR) 和耗散損耗 (P = I 2 R ) 當電流通過任何電阻時發(fā)生。更高的溫度允許功率組件和系統(tǒng)被更用力地推動，從而提供更多的輸出，從而減少將系統(tǒng)分成兩個或更多更小的子系統(tǒng)以提供相同功率的需要。

盡管 SiC 的優(yōu)點早已為人所知，但將理論轉化為實用、具有成本效益、可靠的設備一直是一項長期挑戰(zhàn)。但請記住，“馴服”硅并使其發(fā)揮今天的作用需要數(shù)十年時間，尤其是在功率設備中，所有缺陷和缺陷都會因熱量和功率水平而被放大。同樣，將 SiC 技術作為實用器件推向市場需要數(shù)年（以及無數(shù)美元）的基礎物理研究、創(chuàng)新工藝開發(fā)、獨特的器件結構和新的制造技術，并得到合適的封裝和數(shù)百萬小時的測試和可靠性數(shù)據(jù)的支持。

現(xiàn)在與未來

僅在硅領域處于強勢地位的功率器件供應商，以及在非硅材料和工藝方面具有專業(yè)知識的功率器件供應商，都看到了 SiC 的近期和長期潛力，以及它如何滿足對更好、更便宜和更高效功率的需求. 活躍的參與者包括Infineon Technologies AG、Microsemi Corporation、CREE, Inc. (Wolfspeed)、General Electric、Power Integrations、Toshiba、ON Semiconductor、STMicroelectronics NV、NXP Semiconductors、ROHM Semiconductor和Renesas Electronics. 數(shù)百種已發(fā)布的基于 SiC 的 MOSFET 和二極管已經集成并安裝在產品中。這些產品得到密集、持續(xù)的研發(fā)工作的支持，使 SiC 處于有吸引力的位置。

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