【经验】如何利用碳化硅器件降低特定的系统成本？

时间： 2021-07-31 来源：ROGERS

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碳化硅 (SiC) 的性能突出，这使得它在多种应用场景中成为可再生能源系统和电动车辆的逆变器等功率半导体器件的一种非常有用的材料。然而，SiC器件的具体成本 ($/cm²) 高于并将持续高于硅 (Si) 器件，虽然这种成本比率在未来可能会出现变化。因此，我们不仅有必要从紧凑布局和更高功率密度 (kW/kg、kW/l) 方面去考虑降低成本，还需要最大限度地减少半导体的支出。多芯片包装和基板技术在这方面起到主要作用。本文中ROGERS将说明如何利用碳化硅器件降低特定的系统成本。

功率密度取决于开关频率

电容器、电感器和变压器等无源元件在电源转换器单元 (PCU) 的总重、体积和成本方面占到较大的比例。当电力半导体器件在较高的开关频率下运行时，可减小这些元件的尺寸，也可以在 SiC MOSFET 晶体管中实现这一点，这是因为这些晶体管不会产生尾电流，可以达到非常低的转换能量。因此，开关损耗主要取决于开关时间。

较快的开关速度在系统中有多方面的限制，因为它会：

受寄生电容耦合的影响，影响驱动电路
受变换路径中寄生电感的影响，在断开时产生过压
受栅电压的寄生漂移的影响，造成意外接合
缩短电机和变压器等元件中绝缘材料的使用寿命
对系统的电磁兼容性产生不利影响。

虽然 SiC 器件可以达到较高的开关速度，但芯片布局、芯片组件、互连技术以及覆铜陶瓷基板，可能会对系统的寄生电感和耦合电容产生影响。因此，为利用这些器件的特性，对芯片包装进行优化是很重要的。

功率密度取决于散热

冷却回路是占系统总重量、体积和成本的另一大比例。通过增加从芯片到冷却剂的能量损失所需的热阻，可以实现减小尺寸。

第一种方法是提高芯片结温。硅功率器件的额定温度通常为 150°C 至 175°C，由于存在临界反向漏电流，因此它无法承受更高的芯片结温。相比之下，碳化硅MOSFET 等宽带隙器件可以在更高的芯片结温下工作。在芯片结温高达 250°C 时实现最佳器件利用率，以避免随着电流增加而发生热失控。在更高的温度下运行是可能的，但电流密度应该随之降低。这种较低的芯片利用率仅在环境温度极高的应用中才有意义。此外，在如此高的芯片结温下运行需要用于芯片连接的材料，互连和封装具有合适的耐温性以及它们各自的热膨胀系数 (CTE) 之间的更好匹配，以减少热机械应力。活性金属钎焊 (AMB) 氮化硅 (Si3N4) 基板在此类情况下具有出色的热性能和机械性能。

减少损失是另一种更有希望的方法。SiC 材料的高击穿场使具有薄漂移层的 MOSFET 结构能够降低芯片电阻。因此，可以减少传导损耗。即使损失的轻微减少也会导致热阻的显著增加。对于现有高效率水平和高额定功率的系统来说尤其如此。最终，可以显著节省散热器和功耗，以分别驱动风扇和泵以进行强制空气冷却和液体冷却。

芯片面积必须优化

考虑到系统中不同组件之间的成本分布可能因应用场景而有所不同，由于 SiC 器件的具体成本 ($/cm²)，冷却和无源组件方面实现的减小可能不足以补偿更高的芯片成本。因此，必须对芯片面积进行优化，以减少具体的系统成本 ($/kW)。这种优化可以是在相同额定功率下减小系统的尺寸，也可以是在相同的系统尺寸下提高额定功率。鉴于 SiC 器件具有较低的芯片电阻和较低的开关能量，因此在较高的损耗密度和快速的开关速度下运行系统，是减小芯片面积的最有效方法。这就需要更好散热。同样，具有高热导率和厚铜金属化层的活性金属钎焊 (AMB) 氮化硅 (Si3N4) 基板是支持在多种应用场景中广泛采用SiC器件的首选技术。

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型号- MKS4J022202D00MSSD,10-FZ12NMA080NS03-M260F,0505025.MX52LEP,TFLEX HD300,BGM111,C2M1000170D,EFR32MG13P732F512GM48-C,RBN75H125S1GP4-A0,10-FY12NMA160SH01-M820F18,KT05,PS9402,SGM6022,MLX91208,28R1101-000,28R0610-000,30-FT12NMA160SH-M669F28,PS9031,LSIC2SD120E30CC,30-FT12NMA200SH-M660F08,LXXXX 15.00/05/90 4.5SN GR,28R1476-100,92ML,LX 15.00/05/90 4.5SN GR BX,MKS4J033305D00KSSD,TPCM780,RC12-6-01LS,SMBJ18CA,28R1953-000,PS9531L3,SI86XX,28B0141-000,WDU50N,SGM6032,WGM110,R5F56514FDLJ,C4D30120D,WDU70N,RBN40H125S1GPQ-A0,C2M0080120D,V23990-P629-L43,SGM2019,LSIC1MO120E0080,SID11X2K,SI8261BCD-C-IS

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型号- TFLEX HD300,C3M0065090D,C2M1000170D,10-F124NID150SH03-LG18F98,10-F124NIE150SH03-LG28F98,RA-8565SA,PS9402,MLX91208,10-F124NIX150SH03-LGX8F98,28R1101-000,28R0610-000,LSIC2SD120E30CC,28R1476-100,92ML,TPCM780,RC12-6-01LS,SMBJ18CA,KT05-1A-BV88622,28R1953-000,28B0141-000,WGM110,R5F56514FDLJ,WM 4C,C4D30120D,10-FY09S2A065ME-L869L08,SID1152K,SI8621BD-B-IS,SI8261BCD-C-IS,SID11X2K

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型号- EFR32MG13,SMBJ,SMAJ,LXS,C2M1000170D,SMDJ,MLX91210KDC,SMCJ,R5F562TAADFP,WDU,SI8235BD-D-ISR,TGARD500,EFR32FG,SMF,SLM152,SC92,SI86XX,V23990-P629-F73-PM,TGARD3000,10-FZ12NMA040SH-M267F,TGARD K52-2

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型号- C4D10120D,T-FLEXHD300,SMBJ,BGM111,LXS,SMDJ,C2M1000170D,1812L,SLM750,SLM152,SC92,PS9402,TGARD500,30R,RBN40H125S1FPQ-A0,EFR32MG,PS9031,60R,LSIC2SD120E10CC,SMAJ,SMCJ,WDU,SMF,SI4438-C,WGM110,MKP,MLX91210,10-FZ12NMA040SH-M267F,2920L,BVS,EFM32JG,SGM2019

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型号- 92ML,P6SMB,SMBJ,C3M0065090D,SMAJ,SMCJ,TPSMB,2SK2225-80-E#T2,U9507C,TPSMA,SI827X,10-FZ071SA075SM02-L525L18,MLX91210,LSIC2SD120E20CC,C4D20120D,KSU60D60N,2SK2225

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型号- 92ML,TFLEX HD300,C2M1000170D,TPCM780,FT05MHNR,RA-8565SA,ADP32F12A,SMBJ18CA,28R1953-000,PS9402,28B0141-000,MLX91208,28R1101-000,28R0610-000,WM 4C,PD100MYN18,SID1152K,FR05MHIR,SID11X2K,28R1476-100

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型号- 30-FT07NIB300S502-LE06F58,0505025.MX52LEP,TFLEX HD300,PS9031-Y-V-F3-AX,SI8921BD-IS4,C2M1000170D,TPCM780,MLX91208LDC-CAV-000-RE,SMBJ18CA,28R1953-000,SC92,LSIC1MO170E1000,28R1101-000,28R0610-000,SID1182K,PS9402-V-E3-AX,ADP32F12A_150QP G,SI8621BD-B-IS,28R1476-100

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型号- SMBJ,BGM111,SMDJ,C2M1000170D,TFLEXHD300,1812L,SLM750,SLM152,SI4438C,SC92,PS9402,MLX91208,TGARD500,TFLEX HD300,30R,EFR32MG,PS9031,LSIC2SD120E30CC,60R,30-FT12NMA160SH02-M669F28,TGARD 500,SMAJ,SMCJ,SMF,SI827X,WGM110,C4D30120D,PS9402-V-E3-AX,2920L,C2M0080120D,SGM2019,LSIC1MO120E0080

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