隨著對(duì)電動(dòng)汽車（EV）需求的持續(xù)增長(zhǎng)，制造商正在比較兩種半導(dǎo)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(jì)。SiC當(dāng)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(dòng)汽車動(dòng)力總成和LED汽車照明。

隨著電池和電機(jī)制造商達(dá)到現(xiàn)有技術(shù)的物理極限，需要開(kāi)發(fā)更高效的傳動(dòng)系統(tǒng)，SiC技術(shù)也可能推動(dòng)未來(lái)的電動(dòng)汽車創(chuàng)新。在接受半導(dǎo)體工程采訪時(shí)，Cree CTO John Palmour將碳化硅與硅進(jìn)行了比較，這是電動(dòng)汽車行業(yè)，尤其是工程師可以欣賞的?！澳憧梢杂锰蓟柚圃斐瞿阏嬲胍墓杵骷捎诠璧奈锢硖匦?，在那個(gè)電壓范圍內(nèi)并不實(shí)用?！?/p>

帶隙的重要性！

碳化硅在電動(dòng)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(cè)量，描述了將電子從材料的價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶所需的能量。硅（Si）是一種半導(dǎo)體，長(zhǎng)期以來(lái)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(yáng)能電池的半導(dǎo)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(dǎo)電的點(diǎn)。硅的擊穿電壓約為600V，但基于SiC的器件可以承受高達(dá)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(huì)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(kāi)關(guān)和更小、更薄的器件。因?yàn)樘蓟璧碾妷翰罨螂妱?shì)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(dǎo)熱率允許更有效地傳輸熱量，并可以減少或消除對(duì)散熱器的需求。

用于電動(dòng)汽車電力電子的碳化硅器件：優(yōu)勢(shì)與挑戰(zhàn)

據(jù)IEEE Spectrum報(bào)道，Cree估計(jì)，去年全球碳化硅器件市場(chǎng)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(zhǎng)的電動(dòng)汽車市場(chǎng)中的各種高壓、高溫組件提供支持。由于電動(dòng)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(jìn)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(kāi)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(chǔ)。車載電池充電器將電池的直流電轉(zhuǎn)換為主驅(qū)動(dòng)電機(jī)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?。ｋS著SiC制造商繼續(xù)減少材料中的缺陷，SiC器件的價(jià)格預(yù)計(jì)將下降——這是未來(lái)電動(dòng)汽車應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)。

碳化硅的電動(dòng)汽車前景光明，但對(duì)電動(dòng)汽車的需求增加可能導(dǎo)致部件缺陷，除非制造商安裝適當(dāng)?shù)臋z測(cè)設(shè)備。這在研發(fā)（R&D）過(guò)程中尤為重要，在研發(fā)過(guò)程中，工藝工具的驗(yàn)證不力會(huì)顯著降低產(chǎn)量。MTI Instruments的Proforma 300iSA系統(tǒng)可進(jìn)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(shì)。

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(jì)。激光干涉儀還提供相對(duì)讀數(shù)，要求操作員在使用前將儀器校準(zhǔn)到已知厚度。相比之下，基于電容的技術(shù)提供了絕對(duì)測(cè)量。此外，如果激光干涉儀失去了對(duì)晶片表面的跟蹤，那么測(cè)量結(jié)果就不準(zhǔn)確。使用共焦系統(tǒng)，測(cè)量透明或半透明半導(dǎo)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(diǎn)。隨著時(shí)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(shì)。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?；陔娙莸募夹g(shù)，如MTI的形式技術(shù)，也可以擴(kuò)展整個(gè)半導(dǎo)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(jìn)行高分辨率測(cè)量，然后在收到SiC晶片后進(jìn)行測(cè)量。

審核編輯：湯梓紅

?