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來源：Digi-Key 作者： Jeff Shepard 硅 (Si) 仍然是功率半導體的主流材料。但在 2023 年，碳化硅 (SiC) 相關的技術發展可能會吸引更多設計人員嘗試這種新材料。您愿意加入其中嗎？ Wolfspeed 和 STMicroelectronics 等 SiC 供應商篤定您不會錯過這樣的機會。這些供應商已經宣布轉向 200 mm 晶圓，這是目前 150 mm 晶圓面積的 1.7 倍。晶圓越大，每片晶圓上可切割的芯片越多，從而降低了 SiC 器件的成本。時機也恰到好處：就在 SiC 供應量日益增多的同時，電動汽車 (EV)、綠色能源和智能電網以及一系列可從 SiC 獲益的工業 4.0 系統的電源轉換需求激增已成定勢。 下面簡單介紹一下 SiC 的性能優勢以及全新 200 mm 晶圓的制造現狀。然后我們將展示 Wolfspeed 和 STMicroelectronics 的 SiC 器件和模塊，以及用于加速開發基于 SiC 的電源轉換器和電機驅動器的開發平臺，包括使用分立式 SiC MOSFET 的 kW 級功率因數校正 (PFC) 電路和基于 SiC 電源模塊的 300 kW 三相電源轉換器。 SiC 的性能 SiC 并不完美，但與硅基氮化鎵 (GaN on Si) 和硅功率器件相比，確實有一些優勢，包括 RDS(on) 隨溫度上升的幅度較小。傳導損耗直接受 RDS(on)（通常指定為 25°C 時的值）影響，由于 RDS(on) 隨溫度上升的幅度較小，所以在工作結溫下，60 mΩ SiC 器件的性能與 40 mΩ Si 和 GaN 器件相似。導熱率和芯片尺寸等其他參數也是 SiC 的優點。成本方面顯然 Si 更具優勢，現場經驗小時數、可達到的集成度和封裝樣式方面也是如此（表 1）。但在每個方面，Si 的優勢預計將不斷縮小。 
表 1：SiC 的工作特性使其非常適合交通運輸、綠色能源和工業 4.0 應用。（圖片來源：Wolfspeed） 更多 SiC 產品即將面市 在縮小 Si 的成本優勢方面，貢獻最大的因素之一是 SiC 產量的增加。大多數 SiC 制造商都在盡可能地快速提升產能。本文引用的兩個例子是 Wolfspeed 和 STMicroelectronics。Wolfspeed 正在建設一座耗資數十億美元的 200 mm 晶圓 SiC 材料制造基地，在全面投產后，其產能將提高十倍（圖 1）。
圖 1：Wolfspeed 的新建 200 mm 晶圓基地將其 SiC 產能提高 10 倍。（圖片來源：Wolfspeed） STMicroelectronics 也在開發 200 mm SiC 產能，并與 Soitec 合作，將該公司的 Smart Cut 技術應用于新一代 SiC 基材。Smart Cut 有望降低 SiC 晶圓成本、改進質量并提高良率。 kW 級圖騰柱 PFC 參考設計 如果您正在設計 kW 級交流電 (AC) 輸入電源轉換器，例如直流電 (DC) 輸出電源、不間斷電源 (UPS) 或電機驅動器，您可能會考慮使用圖騰柱 PFC 級。這種情況下，您可以采用 STMicroelectronics 的 STEVAL-DPSTPFC1 無橋圖騰柱參考設計，在 50 Hz、230 VAC 輸入電壓下處理 3.6 kW 功率，在 60 Hz、110 VAC 輸入電壓下處理 1.6 kW 功率。其中包括一個數字 PFC 和一個涌流限制器。該設計采用 650 V SiC MOSFET (SCTW35N65G2V)、Si SCR（可控硅整流器）(TN3050H-12WY)、隔離式 FET 驅動器 (STGAP2S) 和一個 32 位 MCU (STM32F334)。 該 PFC 的工作頻率為 72 kHz，峰值效率為 97.5%，總諧波失真 (THD) 為 3.7%（典型值）。參考設計中包括一個帶有無橋圖騰柱升壓電路、涌流限制器和輔助電源的電源板、一個帶有 PFC 和限流控制固件的基于 MCU 的控制板，以及一個用于軟件調試的適配器板（圖 2）。
圖 2：STEVAL-DPSTPFC1 是一款完整的 kW 級無橋圖騰柱 PFC 設計。（圖片來源： STMicroelectronics） 300 kW 高頻率三相 SiC 逆變器 如果您正在設計牽引逆變器、儲能系統或大型 UPS、靈活交流輸電系統等智能電網設備或大型工業電機驅動，您可以采用 Wolfspeed 的 CRD300DA12E-XM3 300 kW 三相逆變器。該逆變器的工作頻率范圍為 20 至 80 kHz，您可以使用它來探索 SiC 電源模塊的性能能力。該參考設計包括三個 CAB450M12XM3 1200 V、450 A SiC 半橋模塊和三個 CGD12HBXMP 柵極驅動器。作為一個完整的解決方案，該逆變器包含電源模塊、液冷冷卻板、電源總線、柵極驅動器、電壓和電流傳感器以及控制器（圖 3）。規格包括： · 800 VDC 電源總線（最高 900 VDC） · 360 A 均方根 (rms) 輸出 · 300 μF DC Link 電容 · CAN 總線通信
圖 3：基于 SiC 功率模塊的 CRD200DA12E-XM3 逆變器可處理高達 300 kW 的功率。（圖片來源：Wolfspeed）圖 3：基于 SiC 功率模塊的 CRD200DA12E-XM3 逆變器可處理高達 300 kW 的功率。（圖片來源：Wolfspeed） 總結 在 150 mm 晶圓到 200 mm 晶圓的過渡降低 SiC 器件成本的同時，SiC 在電源轉換領域的應用快速增長已成定勢。本文回顧了 SiC 的性能優勢，并展示了使用 SiC 的 kW 級圖騰柱 PFC 和 300 kW 逆變器。2023 年您會嘗試 SiC 嗎？ |
