碳化硅是一種具有高功率和高溫特性的非常有效的材料。

碳化硅（SiC）半導體是創新的選擇，可以提高系統效率，支持更高的工作溫度并降低電力電子設計的成本。SiC是硅和碳的化合物，是同素異形的半導體材料。電流密度很容易達到5甚至10 A /mm2，放電電壓通常在SiC的100 V /μm范圍內，而在硅上則為10 V /μm。碳化硅的特性使其成為用于生物醫學材料，高溫半導體器件，同步加速器光學元件以及輕便，高強度結構的理想材料。

碳化硅組件的制造過程（圖片：GT Advanced Technologies）

由于SiC具有高導熱性，因此它比其他半導體材料更快地散發熱量。因此，SiC器件可以在極高的功率水平下運行，并且仍然可以散發器件產生的大量多余熱量。

Microchip Technology離散與電源管理業務部門戰略市場經理奧蘭多·埃斯帕薩（Orlando Esparza）表示：“ SiC的增長率非常可觀，這將對SiC供應商滿足快速的需求增長帶來挑戰。”SiC功率器件不是商品，在性能，可靠性和耐用性方面存在真正的差異。考慮到不同供應商的各種設計，開發和制造[情況]，成本最低的設備不太可能滿足關鍵任務應用的高可靠性要求。設計人員需要確保在嚴格的條件下，在自己的工作臺和系統上仔細評估設備性能，可靠性和性能下降。”

SiC塊狀晶體：新的商業模式

強勁的市場需求和SiC產品的持續趨勢促使公司優化SiC生產工藝。徹底改變基板供應鏈可以快速響應對大功率解決方案不斷增長的需求。

從材料到成品（圖片來源：GT Advanced Technologies）

GT Advanced Technologies向晶圓制造商提供晶體，使他們能夠迅速擴展到基板生產市場。GT的業務模式使該公司避免與現有企業和新競爭對手直接競爭，而是使其更有效，更快速地擴展規模，從而提供高質量的晶體并降低成本。

GT Advanced Technologies總裁兼首席執行官格雷格·奈特（Greg Knight）表示：“我們的商業模式是出售晶體本身（散裝晶體）的一種形式，可以隨時進行加工。”“我們種植晶體，將其研磨到指定的直徑，將其切成一定的形狀因子，這就是我們出售的產品。我們的客戶將這種[水晶]放入線鋸中，然后就走了。”

奈特說：“您從碳化硅中學到的東西很快就到處都是，沒有簡單的元素。”“種植晶體非常困難。一旦有了晶體，因為它是一種非常堅硬，易碎的單晶材料，所以沒有任何困難。我們專注于晶體生長，我認為目前這是材料價值鏈中最困難的一步。之所以困難，是因為這是一個完全盲目的過程。您看不到或無法直接衡量自己在做什么。您必須在盲目過程中擁有非常非常強大的過程控制。”

SiC和包裝

SiC提供的高性能使更小，更熱效率的封裝成為可能，盡管必須將它們設計成對稱布局以最小化電路電感。碳化硅不能用作天然礦物。SiC摻雜是一個困難的過程，而生產具有更少缺陷的更大SiC晶片的挑戰使制造和加工成本居高不下。因此，從一開始就必須提供良好的開發過程。

“碳化硅不是無缺陷的；實際上，與硅相比，它是一種高度缺陷的材料。”奈特說。“作為材料供應商，提高質量并繼續降低缺陷水平是我們的重任。”

他補充說，GT Advanced Technologies“在很短的時間內就在質量上取得了長足的進步”。“大約一年前，我們開始大力改善水晶的質量，并已完成這一步驟的更改，現在我們提供了我們認為是市場上最高質量的水晶。我們需要繼續提高晶體的質量。這是一種持續的努力，永無止境。”

奈特說，高產也很關鍵。產量越高，成本越低。而“創新不止于設備；而是創新不止于設備”。封裝和熱管理面臨著許多挑戰。創新必須在整個生態系統中繼續發生。”

特斯拉（Tesla）等公司已經開發了先進的電池，電動機和控制技術，這些技術可以使高性能電動汽車（EV）的充電續航里程達到300英里或更多。一種提高EV效率的方法是在傳動系統中使用更高效的半導體開關，同時增加電動輔助車輛系統的數量。傳動系統中使用的電機控制電子設備被視為對安全至關重要的功能，因此，設計人員必須使用經過驗證的技術。

SiC的低開關損耗，高溫能力和高開關頻率使其非常適合滿足最佳混合EV / EV（xEV）要求。“隨著越來越多的車隊轉向電動汽車，碳化硅的增長將繼續來自汽車等行業，并且您會看到MOSFET的增長超過了IGBT。如今最大的用戶是特斯拉，”奈特說。

為了證明SiC功率MOSFET和二極管在半橋配置下的連續運行，Littelfuse建立了柵極驅動器評估平臺（GDEV）。該平臺提供了一組定義明確的測試條件和快速連接功能，以評估和比較具有不同驅動器IC的不同驅動板設計的性能。它還具有完整的散熱解決方案，允許功率器件在高電壓和高電流下連續運行，并提供有功功率。

門驅動器評估平臺（圖片：Littelfuse）

SiC技術正在更高功率的項目中找到應用，例如電動機，電驅動器和逆變器或變頻器，例如動力總成逆變器和車載充電器（OBC）。

Microchip Technology的Esparza表示：“某些在較低頻率下切換的電機應用并未充分利用碳化硅的快速切換功能。”“電動汽車驅動器的目標是碳化硅，以受益于更高的功率密度，更高的結溫和更小的整體設計。”

Microchip的MSCSICPFC / REF5是適用于混合EV / EV充電器和大功率開關模式電源的三相維也納功率因數校正（PFC）參考設計。該參考設計在20 kW輸出功率下達到98.5％的效率，并且能夠以30 kW的功率運行。

Esparza說：“行業需要將他們的思維從基于硅的設計轉變為碳化硅技術。”“需要對整個拓撲結構，系統和材料清單進行系統級的評估和評估，以證明向碳化硅過渡的合理性。所有行業都可以從SiC中受益，我們看到了各個行業的興趣和應用：醫療，工業，汽車，計算機，航空，國防，太空等。”

三相維也納功率因數校正參考設計（圖片：Microchip）

其他寬帶隙材料

SiC并不是唯一一種在某些應用中可以替代硅的寬帶隙材料。從大約100 W的電源開始，氮化鎵（GaN）組件也正在改變電力電子領域。由于其適用于轉換和電源系統的相同功能，GaN技術也正在進入RF放大器。

但是，唯一的寬帶隙第IV組半導體材料是SiC和金剛石。奈特說：“金剛石顯然是一種寬帶隙材料，具有一些驚人的性能。”“尚不具備生長大型單晶鉆石的能力。它是在非常非常小的晶體中以非常非常低的產率完成的。但是，如果我想到一種最終會取代SiC的材料，也許就是金剛石。這是一個全新的技術挑戰。”

我們正在經歷社會如何使用電力的革命。與傳統材料（例如硅）相比，寬帶隙材料能夠提高功率轉換應用的效率。SiC及其III–V組對應物GaN在能源方面具有優勢，這使其成為功率電子學開發的重點。

編輯：hfy