2023 年您可能想要试水碳化硅：原因如下

作者： Jeff Shepard

硅 (Si) 仍然是功率半导体的主流材料。但在 2023 年，碳化硅 (SiC) 相关的技术发展可能会吸引更多设计人员尝试这种新材料。您愿意加入其中吗？

Wolfspeed 和 STMicroelectronics 等 SiC 供应商笃定您不会错过这样的机会。这些供应商已经宣布转向 200 mm 晶圆，这是目前 150 mm 晶圆面积的 1.7 倍。晶圆越大，每片晶圆上可切割的芯片越多，从而降低了 SiC 器件的成本。时机也恰到好处：就在 SiC 供应量日益增多的同时，电动汽车 (EV)、绿色能源和智能电网以及一系列可从 SiC 获益的工业 4.0 系统的电源转换需求激增已成定势。

下面简单介绍一下 SiC 的性能优势以及全新 200 mm 晶圆的制造现状。然后我们将展示 Wolfspeed 和 STMicroelectronics 的 SiC 器件和模块，以及用于加速开发基于 SiC 的电源转换器和电机驱动器的开发平台，包括使用分立式 SiC MOSFET 的 kW 级功率因数校正 (PFC) 电路和基于 SiC 电源模块的 300 kW 三相电源转换器。

SiC 的性能

SiC 并不完美，但与硅基氮化镓 (GaN on Si) 和硅功率器件相比，确实有一些优势，包括 RDS(on) 随温度上升的幅度较小。传导损耗直接受 RDS(on)（通常指定为 25°C 时的值）影响，由于 RDS(on) 随温度上升的幅度较小，所以在工作结温下，60 mΩ SiC 器件的性能与 40 mΩ Si 和 GaN 器件相似。导热率和芯片尺寸等其他参数也是 SiC 的优点。成本方面显然 Si 更具优势，现场经验小时数、可达到的集成度和封装样式方面也是如此（表 1）。但在每个方面，Si 的优势预计将不断缩小。

表 1：SiC 的工作特性使其非常适合交通运输、绿色能源和工业 4.0 应用。（图片来源：Wolfspeed）

更多 SiC 产品即将面市

在缩小 Si 的成本优势方面，贡献最大的因素之一是 SiC 产量的增加。大多数 SiC 制造商都在尽可能地快速提升产能。本文引用的两个例子是 Wolfspeed 和 STMicroelectronics。Wolfspeed 正在建设一座耗资数十亿美元的 200 mm 晶圆 SiC 材料制造基地，在全面投产后，其产能将提高十倍（图 1）。

图 1：Wolfspeed 的新建 200 mm 晶圆基地将其 SiC 产能提高 10 倍。（图片来源：Wolfspeed）

STMicroelectronics 也在开发 200 mm SiC 产能，并与 Soitec 合作，将该公司的 Smart Cut 技术应用于新一代 SiC 基材。Smart Cut 有望降低 SiC 晶圆成本、改进质量并提高良率。

kW 级图腾柱 PFC 参考设计

如果您正在设计 kW 级交流电 (AC) 输入电源转换器，例如直流电 (DC) 输出电源、不间断电源 (UPS) 或电机驱动器，您可能会考虑使用图腾柱 PFC 级。这种情况下，您可以采用 STMicroelectronics 的 STEVAL-DPSTPFC1 无桥图腾柱参考设计，在 50 Hz、230 VAC 输入电压下处理 3.6 kW 功率，在 60 Hz、110 VAC 输入电压下处理 1.6 kW 功率。其中包括一个数字 PFC 和一个涌流限制器。该设计采用 650 V SiC MOSFET (SCTW35N65G2V)、Si SCR（可控硅整流器）(TN3050H-12WY)、隔离式 FET 驱动器 (STGAP2S) 和一个 32 位 MCU (STM32F334)。

该 PFC 的工作频率为 72 kHz，峰值效率为 97.5%，总谐波失真 (THD) 为 3.7%（典型值）。参考设计中包括一个带有无桥图腾柱升压电路、涌流限制器和辅助电源的电源板、一个带有 PFC 和限流控制固件的基于 MCU 的控制板，以及一个用于软件调试的适配器板（图 2）。

图 2：STEVAL-DPSTPFC1 是一款完整的 kW 级无桥图腾柱 PFC 设计。（图片来源： STMicroelectronics）

300 kW 高频率三相 SiC 逆变器

如果您正在设计牵引逆变器、储能系统或大型 UPS、灵活交流输电系统等智能电网设备或大型工业电机驱动，您可以采用 Wolfspeed 的 CRD300DA12E-XM3 300 kW 三相逆变器。该逆变器的工作频率范围为 20 至 80 kHz，您可以使用它来探索 SiC 电源模块的性能能力。该参考设计包括三个 CAB450M12XM3 1200 V、450 A SiC 半桥模块和三个 CGD12HBXMP 栅极驱动器。作为一个完整的解决方案，该逆变器包含电源模块、液冷冷却板、电源总线、栅极驱动器、电压和电流传感器以及控制器（图 3）。规格包括：

· 800 VDC 电源总线（最高 900 VDC）
· 360 A 均方根 (rms) 输出
· 300 μF DC Link 电容
· CAN 总线通信

图 3：基于 SiC 功率模块的 CRD200DA12E-XM3 逆变器可处理高达 300 kW 的功率。（图片来源：Wolfspeed）图 3：基于 SiC 功率模块的 CRD200DA12E-XM3 逆变器可处理高达 300 kW 的功率。（图片来源：Wolfspeed）

总结

在 150 mm 晶圆到 200 mm 晶圆的过渡降低 SiC 器件成本的同时，SiC 在电源转换领域的应用快速增长已成定势。本文回顾了 SiC 的性能优势，并展示了使用 SiC 的 kW 级图腾柱 PFC 和 300 kW 逆变器。2023 年您会尝试 SiC 吗？