如何利用碳化硅器件降低特定的系统成本

2021 年 02 月 25 日

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。

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

冷却回路也在系统的总重、体积和成本方面占到较大的比例。我们可以通过增加热阻,消除芯片上冷却剂的热损失来达到减小尺寸的目的。

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。相反,SiC MOSFET 晶体管等宽能隙器件能够在较高的芯片结温下运行。可以在高达 250°C 的芯片结温下最大限度地利用器件,以防止在电流增加时避免出现过热现象。也可以在更高的温度条件下运行器件,但应减小电流密度。仅能在环境温度极高的应用场景中实现芯片的较低利用率。此外,在如此高的芯片结温下运行器件,需要使用用于芯片贴装、互连和塑封的材料。这类材料适当耐温,更好地匹配其各自的热膨胀系数 (CTE),以降低热机械应力。在这些情况下,活性金属钎焊 (AMB) 氮化硅 (Si3N4) 基板具有优异的热性能和机械性能。

减少损耗是另一种更有希望的方法。SiC 材料的高击穿电场使得具有薄漂移层的 MOSFET 晶体管结构能够产生较低的芯片电阻。因此,可以减少导电损耗。即使略微减少损耗,也会显著增加热阻。这对于具有现有高效率水平和高功率的系统尤其如此。最终,可能会大幅降低驱动风扇和泵分别进行强制空气冷却和液体冷却的散热器和功耗。

必须优化芯片面积

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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