SiC提高功率轉換效能
眾半導體商因應此趨勢推出各種方案，例如英飛凌便展示了CoolSiC MOSFET系列的相應功能集以及搭配的驅動器IC，其支援入門級應用。例如，光電變頻器、不斷電系統(UPS)、驅動器、電池充電基礎設施以及能源儲存解決方案。
在未來，將有越來越多的功率電子應用無法僅倚賴矽(Si)裝置滿足目標需求。由於矽裝置的高動態損耗，因此藉由矽裝置提高功率密度、減少電路板空間、降低元件數量及系統成本，同時提高功率轉換效能，即成為一個相互矛盾的挑戰。為解決此問題，工程師們逐漸開始採用以碳化矽材料為基礎的功率半導體來部署解決方案。
SiC蕭特基二極體長期以來持續創新，像是英飛凌於2001年推出首批600V產品，並持續擴大包括650V與1200V電壓等級的產品組合，同時也開發並發表新世代產品，其單位晶片面積具有更高的電流處理能力，同時降低了功率損耗，目前已生產數億個SiC二極體晶片並供應至市場。
在這十多年來，諸如太陽能變頻器中的MPP追蹤或開關式電源供應器中的功率因數校正等應用中，使用Si IGBT加上SiC二極體或具有SiC二極體的超接面Si MOSFET已成為最先進的解決方案，可實現高轉換效率及高可靠度的系統。市場報告甚至強調SiC二極體正進入生產率的平原期。SiC技術中的量產技術、生產品質監控以及具有優異FIT率的現場追蹤記錄，為採用包含SiC MOSFET之產品策略奠定了下一步基礎。
SiC MOSFET/Si IGBT 效能大有優勢
SiC半導體材料中的電晶體功能，為整體電力供應鏈(從能源產生、傳輸及分配給消費者)的能源效率(以較少能源獲得更多能源)提供了更大的潛力。
讓我們仔細研究一下SiC MOSFET與Si IGBT的效能優勢。圖1顯示了先進的矽解決方案範例：如果目標為高效率與高功率密度，具有650V與1200V Si IGBT的3-Level T類拓撲的一個相位腳通常會用於三相系統，例如光電變頻器與UPS。採用此種解決方案，效率最高可達到20~25kHz的切換頻率。由於裝置電容較低、部分負載導通損耗較低，以及沒有關斷尾電流，因此1200V SiC MOSFET的電流損耗比1200V Si IGBT低約80%。在外部切換位置使用1200V SiC MOSFET可大幅提升效率，並在指定的框架尺寸中達到更高的輸出功率。
進一步提高切換頻率會導致矽基解決方案效率與最大輸出功率迅速降低，但SiC MOSFET的低切換損耗不會有此問題。透過此範例的證明，工作頻率高達72kHz的三倍仍帶來比24kHz運作之矽解決方案更高的效率。因此可縮減被動元件實體尺寸、減少冷卻作業，並達到更低的系統重量與成本。
另一個三相電力轉換範例是電動車的充電基礎設施。1200V SiC MOSFET可為DC-DC轉換級建構一個LLC全橋級，其中典型的矽解決方案倚賴650V Si超接面MOSFET，需要兩個串聯的LLC全橋來支援800V的DC鏈路。而四組SiC MOSFET加上驅動器IC即可取代八組Si超接面MOSFET加上驅動器IC，如圖2所示。除了零件數量減少及電路板空間縮減之外，還可以使效率達到最佳化。在每個導通狀態下，相較於Si解決方案中的四個切換位置，SiC MOSFET解決方案僅打開兩個切換位置。在快速電池充電中使用SiC MOSFET，可實現高效率的充電週期。
由於動態損耗比1200V Si級低一個量級，因此SiC MOSFET亦可藉由提高效能，為傳統的簡單拓撲提供重新使用的機會。在圖3中，將使用1200V SiC MOSFET的傳統2-Level解決方案與先前提及的先進3-Level矽解決方案進行比較。2-Level拓撲結構的優點是控制方案非常簡單，且減少50%的零件數量。此種解決方案可用於光電與UPS變頻器，以及驅動系統、電池充電及能源儲存解決方案中具有雙向性的主動式前端。如圖3所示，儘管切換頻率從24kHz提高至48kHz，但在2-Level SiC MOSFET解決方案的高負載條件下，效率提高了0.3~0.4%，這的確令人驚奇，因為其切換電壓較3-Level運作高出兩倍(800V比400V)。
然而，以SiC MOSFET進行設計也存在著挑戰。設計人員必須考量SiC MOSFET的切換瞬變。相較於經常可在1200V Si IGBT中見到的5~20V/ns，50V/ns或更高的dv/dt並不罕見。因此，電路板層級上的寄生耦合電容將導致過多的能源損耗。對於以更簡單的2-Level解決方案取代3-Level Si IGBT解決方案的情況而言，如果切換電壓與頻率皆加倍，則寄生耦合電容將產生高出八倍的能源損耗。圖3顯示當SiC MOSFET在標準IGBT 2-Level解決方案中隨插即用時的原始效率線，而下一個效率線則顯示有關汲極-源極寄生電路板電容的PCB謹慎設計能如何減少損耗。當切換頻率增加時，應考量的第二個主題涉及電感器的磁芯損耗。由於漣波電流及其相應的損耗在整個負載範圍內維持恆定，藉由改變芯材料來改善磁芯損耗主要會影響部分負載效率。相較於3-Level Si IGBT解決方案，這兩項改善最終將帶來高於98.5%的理想效率線。這顯示SiC MOSFET主要並非Si IGBT的隨插即用選項，而且需要大量的設計作業才能將效能提升到更高水準。因此，電源晶片供應商CoolSiC MOSFET的開發目標之一是調整裝置參數值，使系統設計實作更加簡單。
新型溝槽技術實現標準化閘極驅動
有一種系統相容性功能是閘極驅動方案。目前為止，SiC MOSFET需要比Si IGBT或Si MOSFET更高的閘極驅動電壓，而且經常面臨極為接近零伏特的低閘極-源極臨界值電壓裕度。此微小的裕度使得閘極電壓振鈴尖峰處於高dv/dt旋轉率，成為系統設計人員關注的問題。新型溝槽技術實現了標準化閘極驅動方案，使+15V的Si IGBT足以導通，而4V基準臨界值電壓可在電流關斷時提供穩固的訊噪比。
SiC MOSFET還需要匹配的驅動器IC才能釋放其所有潛力。這些驅動器必須處理高達50V/ns或更高的dv/dt以及高切換頻率，對時序與公差帶來了更嚴格的要求。SiC MOSFET也可能需要負閘極電壓，特別是用於硬切換拓撲或米勒鉗制時。因此，如英飛凌的EiceDRIVER IC便適合驅動SiC MOSFET，且可根據應用需求提供各種功能，包含緊密的傳播延遲匹配、精確的輸入濾波器、寬輸出側供電範圍、負閘極電壓功能或米勒鉗制，以及擴展的CMTI功能。
矽主流技術影響SiC可靠性/穩固性
SiC的可靠性與穩固性保證與矽主流技術密切相關。SiC是大功率的半導體，但是以此種材料設計MOSFET涉及各種技術挑戰，包括調整效能參數以達到可靠性與穩固性。
設計平面SiC MOSFET時，必須在區域特定導通電阻與閘極氧化物可靠性之間取得主要的平衡，亦即「晶片成本與效能以及可靠性之間的權衡」。
平面SiC-SiO2介面上的缺陷密度在4H-SiC中非常高，這導致MOSFET通道中的電子散射，並因此降低電子通道移動率。效能降低會導致通道電阻增加，以及導通狀態下功率損耗增加。只有透過在氧化物上施加過大的電場加以導通，或透過更高的閘極-源極電壓或更薄的SiO2層，區域特定的導通電阻才能夠保持在優良的低水準程度。
對於SiC材料中的溝槽MOSFET裝置結構而言，由於垂直晶格平面中的SiO2介面具有遠低於平面介面的缺陷密度，因此毋須過度驅動氧化物。然而，由於SiC材料中的高電場，溝槽結構對於溝槽轉角處的阻隔模式而言是更大的挑戰。實現適當場衰減的設計措施比平面結構更為複雜。CoolSiC MOSFET包含獨特的不對稱溝槽結構，可減少關斷狀態下的電場，如圖4所示。溝槽底部的大部分嵌入p+井中，p+井延伸至溝槽底部下方，藉此降低關斷狀態的電場。有關閘極氧化物可靠性，在+15V導通狀態操作下產生的外推20年工作壽命顯示出預測的低故障率，包括0.2ppm的外在缺陷。
閘極臨界值電壓穩定性也是長期以來SiC MOSFET的關注點。需要經過最佳化的MOS製程，以確保在整體使用壽命期間維持狹窄且可預測的漂移，這是此參數的資料表規格的前提條件。
如圖4所示，p發射器的大面積也使該裝置能夠做為快速飛輪二極體使用。如果可以使用本質二極體，就不需要額外的SiC蕭特基二極體，這將為許多應用中的SiC MOSFET增加額外價值，此本質二極體具有高整流穩固性與低逆復原電荷。
另外，CoolSiC MOSFET本質二極體在長期運作時是可靠的，圖5透過執行直流電流應力測試顯示此點。應力前後的正向電壓(VF)與導通電阻(RDSon)相關性已經證明本質二極體穩定且已可使用。CoolSiC MOSFET產品目前具有與Si IGBT技術的系統相當的穩固性水準，如圖6所示。
採用比例提升 SiC成本不再高不可攀
在廣泛採用SiC MOSFET之前，客戶需確保合作的供應商能夠穩定提供優質產品，且在需求增加時仍能維持水準。電源晶片商為此所建立的生產流程具有高容量及高靈活性，經驗證可製造Si與SiC晶片，並組裝成獨立封裝或電源模組。多項先進的功率裝置技術先前皆已成功獲得提升，例如CoolMOS、TRENCHSTOP IGBT及CoolSiC蕭特基二極體；也致力於透過市場推廣與增加產量推動CoolSiC MOSFET產品發展。
過去以來，SiC裝置價格較矽裝置高，是阻礙市場廣泛採用SiC裝置的因素之一。由於SiC與矽裝置在原始晶圓製程中存有根本上的差異，因此SiC裝置仍較為昂貴，而且在可預見的未來不會達到同等的成本。多年來由於採用比例提升、規模經濟、新的區域有效晶片設計，以及生產更大的晶圓直徑，SiC二極體價格已經下降。目前市場上SiC裝置價格的下降及供貨的增加，使得電源設計廠商面臨提高電源轉換效能並降低系統成本的壓力，其需求也因此有所變更。
同時，CoolSiC MOSFET的首批入門應用已成功推出，能以目前的價格水準降低整體系統成本。上述首批應用正透過規模經濟帶動未來的產量增加以提高生產率，同時隨著時間的推移，相較於矽技術，SiC將提供極具吸引力的成本下降藍圖，如圖7所示。
CoolSiC半導體解決方案是邁向能源智慧世界的下一步。本文介紹了三相矽基解決方案中實作1200V CoolSiC MOSFET，如何能將效率提高0.5%以上、減少50%的零件數量，並將切換頻率提升三倍為72kHz，效率甚至高於以24kHz運作的Si IGBT解決方案。
CoolSiC MOSFET與EiceDRIVER IC共同為系統設計人員提供了新的靈活性，藉此提高效率、節省空間與重量、降低散熱需求並提高可靠性，同時降低系統成本。CoolSiC MOSFET系列將符合各種電源轉換方案中廣泛市場應用的所有關鍵需求，包括效能、成本定位、系統相容性功能、近似於矽的FIT率以及量產能力。
