用于電動汽車電力電子的碳化硅器件！

隨著對電動汽車（EV）需求的持續(xù)增長，制造商正在比較兩種半導體技術(shù)，即碳化硅和硅，用于電力電子應(yīng)用。碳化硅（SiC）具有耐高溫、低功耗、剛性，并支持EV電力電子設(shè)備所需的更小、更薄的設(shè)計。SiC當前應(yīng)用的示例包括車載DC/DC轉(zhuǎn)換器、非車載直流快速充電器、車載電池充電器、電動汽車動力總成和LED汽車照明。

隨著電池和電機制造商達到現(xiàn)有技術(shù)的物理極限，需要開發(fā)更高效的傳動系統(tǒng)，SiC技術(shù)也可能推動未來的電動汽車創(chuàng)新。在接受半導體工程采訪時，Cree CTO John Palmour將碳化硅與硅進行了比較，這是電動汽車行業(yè)，尤其是工程師可以欣賞的。“你可以用碳化硅制造出你真正想要的硅器件，但由于硅的物理特性，在那個電壓范圍內(nèi)并不實用?！?/p>

帶隙的重要性！

碳化硅在電動汽車應(yīng)用和其他電力電子中的有用性很大程度上是其寬帶隙的函數(shù)，該寬帶隙以電子伏特（EV）為單位測量，描述了將電子從材料的價帶激發(fā)到導帶所需的能量。硅（Si）是一種半導體，長期以來一直是集成電路（IC）和光伏器件所用晶片的首選材料，其帶隙為1.12eV。砷化鎵（GaAs）是一種用于太陽能電池的半導體，其帶隙為1.42eV。相比之下，碳化硅的帶隙明顯更寬，為3.26eV。

由于這種更寬的帶隙，碳化硅更適合于更高功率的應(yīng)用以及與之相關(guān)的更高溫度。帶隙與擊穿電壓有關(guān)，擊穿電壓是絕緣體的一部分導電的點。硅的擊穿電壓約為600V，但基于SiC的器件可以承受高達10倍的電壓。由于帶隙隨著溫度的升高而收縮，較寬的帶隙材料也能承受更高的溫度。碳化硅的剛性還提供了一種不會因熱而膨脹或收縮的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

更寬的碳化硅帶隙還支持更快、更高效的開關(guān)和更小、更薄的器件。因為碳化硅的電壓差或電勢差不需要跨越太多的材料，所以SiC器件的厚度可以小于Si器件厚度的十分之一。這些更快、更薄的解決方案具有更小的阻力，因此熱量損失更少，效率更高。此外，碳化硅的更高導熱率允許更有效地傳輸熱量，并可以減少或消除對散熱器的需求。

用于電動汽車電力電子的碳化硅器件：優(yōu)勢與挑戰(zhàn)

據(jù)IEEE Spectrum報道，Cree估計，去年全球碳化硅器件市場首次突破1億美元。如今，該公司的SiC解決方案正在為日益增長的電動汽車市場中的各種高壓、高溫組件提供支持。由于電動汽車的不同系統(tǒng)由不同的電壓供電，一些硅器件還需要將正確的電壓轉(zhuǎn)換并分配給車窗升降、照明、推進和HVAC。與Si器件相比，SiC技術(shù)以更高的速度、可靠性和效率支持這些功能。

碳化硅優(yōu)越的開關(guān)速度也支持更快充電器的發(fā)展。非車載充電器將輸入的交流電轉(zhuǎn)換為直流電，用于電池存儲。車載電池充電器將電池的直流電轉(zhuǎn)換為主驅(qū)動電機的交流電。碳化硅比硅執(zhí)行這些功能更快，熱量和能量損失更少。此外，碳化硅組件的尺寸可以是硅器件的一半（或更?。?。隨著SiC制造商繼續(xù)減少材料中的缺陷，SiC器件的價格預(yù)計將下降——這是未來電動汽車應(yīng)用的優(yōu)勢。

碳化硅的電動汽車前景光明，但對電動汽車的需求增加可能導致部件缺陷，除非制造商安裝適當?shù)?a target="_blank">檢測設(shè)備。這在研發(fā)（R&D）過程中尤為重要，在研發(fā)過程中，工藝工具的驗證不力會顯著降低產(chǎn)量。MTI Instruments的Proforma 300iSA系統(tǒng)可進行大規(guī)模晶片檢查，并提高SiC材料的產(chǎn)量。在體積上發(fā)現(xiàn)缺陷可能很困難，但MTI基于電容的技術(shù)比共焦系統(tǒng)提供了重要的優(yōu)勢。

基于電容的技術(shù)與共聚焦系統(tǒng)

例如，高分辨率共焦干涉儀的成本明顯高于電容計。激光干涉儀還提供相對讀數(shù)，要求操作員在使用前將儀器校準到已知厚度。相比之下，基于電容的技術(shù)提供了絕對測量。此外，如果激光干涉儀失去了對晶片表面的跟蹤，那么測量結(jié)果就不準確。使用共焦系統(tǒng)，測量透明或半透明半導體晶片也更具挑戰(zhàn)性。

基于電容的系統(tǒng)也提供了其他優(yōu)點。隨著時間的推移，共焦系統(tǒng)中的激光傳感器有隨著溫度、熱加熱和其他因素而漂移的趨勢。相比之下，電容電路往往更穩(wěn)定，并將低漂移與高精度相結(jié)合。基于電容的技術(shù)，如MTI的形式技術(shù)，也可以擴展整個半導體供應(yīng)鏈的質(zhì)量控制應(yīng)用。銷售SiC晶圓的供應(yīng)商可以在發(fā)貨前進行高分辨率測量，然后在收到SiC晶片后進行測量。

審核編輯：湯梓紅

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