SiC 技術(shù)的先驅(qū)引領(lǐng)系統(tǒng)效率，高度關(guān)注可靠性和耐用性。近 20 年來， GeneSiC 開創(chuàng)了高性能， 堅固， 和可靠的碳化硅 （SiC） 用于汽車、工業(yè)和國防應用的功率器件.作為首批碳化硅器件公司之一， GeneSiC 為政府機構(gòu)開發(fā)了尖端的碳化硅技術(shù)?， 重點關(guān)注性能和穩(wěn)健性， 并發(fā)布了幾代碳化硅二極管和 MOSFET 技術(shù)，額定值高達 6.5 kV 在各種封裝中以及裸片.

2022年， 納微半導體收購了GeneSiC半導體， 創(chuàng)建了業(yè)界唯一一家專注于SiC和GaN的純下一代功率半導體公司.Ranbir Singh博士， 創(chuàng)立了 GeneSiC 2004 現(xiàn)在是納微的 SiC 執(zhí)行副總裁， 在 SiC 功率技術(shù)方面擁有豐富的歷史， 從他在北卡羅來納大學 （NCSU） 對第一個 SiC 功率器件的研究開始.2022 年，為了紀念這項開創(chuàng)性的工作，Singh博士入選了 NCSU 電氣和計算機工程 （ECE） 校友名人堂。

憑借業(yè)界最寬的電壓范圍 – 從 650 V 到 6.5 kV – GeneSiC MOSFET 和肖特基 MPS 二極管一直處于 SiC 技術(shù)的前沿.該公司已參與 60 多個政府機構(gòu)項目，推動了 SiC 性能、耐用性和可靠性的界限。其中包括為美國能源部（DOE）開發(fā)用于儲能的6.5 kV SiC晶閘管，并網(wǎng)逆變器;用于國防應用的 15 kV MOSFET 和 PiN 二極管;用于 NASA 金星探測任務(wù)的 500°C 單片集成 SiC 超結(jié)晶體管 JBS 二極管 （MIDSJT），以及用于 1200 V SiC DMOSFET 和 6.5 kV SiC 晶閘管的單片集成、抗輻射 SiC 柵極驅(qū)動器，用于美國海軍。

碳化硅市場

碳化硅（SiC）市場在過去幾年中迅速擴大，這要歸功于工程師對該技術(shù)的日益接受以及對如何最大限度地發(fā)揮使用寬帶隙功率器件的優(yōu)勢的了解。Yole Développement預測，到2027年，SiC器件市場將從202年的10億美元增長到60億美元以上 第二 .這一增長的很大一部分將來自汽車行業(yè)、太陽能存儲系統(tǒng)和工業(yè)應用的解決方案。

2022年，美國電動汽車銷量超過乘用車市場總量的5% ^第三^ ，加入其他 18 個已達到大規(guī)模采用門檻的國家/地區(qū)。然而，對于希望過渡到電動汽車的消費者來說，仍然有兩個主要問題——里程焦慮和充電時間。汽油和柴油汽車只需不到五分鐘即可充滿油，而對于第一代充電，電動汽車至少需要 25 分鐘才能充電至 80%。

為了解決這個問題，電動汽車制造商正在從 400 V 電池過渡到 800 V 電池，與路邊增壓器相匹配，峰值充電功率為 350 kW?，F(xiàn)在，像Genesis GV70 SUV這樣的電動汽車使用3級，800 V 350 kW直流充電器，只需18分鐘即可獲得10-80%的電力。除了更高的功率輸出外，電壓的增加也降低了I^2^R傳輸功率損耗，降低散熱，降低電纜重量和成本。為了解決更高的電壓問題，電纜和電機繞組都需要增加絕緣性，并且逆變器系統(tǒng)的設(shè)計必須匹配。由于在更高電壓下提高了效率和性能改進，1,200 V SiC MOSFET 非常適合滿足這一要求。

使用電動汽車為您的房屋供電

電動汽車的平均電池尺寸為 40 kWhr ^四^ .是普通住宅電池儲能系統(tǒng)（BESS）的四倍 ^v^ ，這意味著電動汽車可以很容易地提供典型房屋一整天所需的能量。提供這種替代的“車輛到家庭”（V2H）方法將成為行業(yè)的顛覆性驅(qū)動力，并改變我們未來使用能源的方式。從電動汽車獲取電力將節(jié)省電力成本并減少電網(wǎng)的壓力需求，而在需求和成本較低時為電動汽車充電可降低家庭賬單并支持更好的電網(wǎng)穩(wěn)定性。更重要的是，當需求很高時，電動汽車還可以向電網(wǎng)（V2G）提供能量。這有可能改變公用電網(wǎng)，使其更加智能和動態(tài)，電力在宏觀尺度上傳輸和儲存。

考慮到這一點，電動汽車制造商現(xiàn)在開始推出雙向車載充電器 （OBC），為 V2H、V2G 和車輛到負載 （V2L） 提供雙向供電。日產(chǎn)聆風、福特 F-150 閃電、現(xiàn)代 Ioniq 5、起亞 EV6 和三菱歐藍德 PHEV 今天都提供此功能。

這種下一代集成和整體電源解決方案越來越依賴于SiC功率器件。碳化硅 MOSFET 例如 GeneSiC 系列， 可以提供這些應用所需的高溫、高速性能， 而 GeneSiC 合并引腳肖特基 （MPS） 碳化硅二極管必須以低泄漏承受過大的浪涌電流，同時提供低正向壓降和快速開關(guān)特性.

快速充電站

GeneSiC滿足汽車行業(yè)需求的歷史還包括為快速充電站開發(fā)解決方案，這對于電動汽車的快速采用至關(guān)重要.以SK Signet最近設(shè)計的350 kW額定快速充電器為例，該充電器可轉(zhuǎn)換277 V。交流市電至精心控制的 200- 950 V直流適用于 400 和 800 V 額定電池供電的電動汽車。每個快速充電器使用 168 x 1,700 輸入功率因數(shù)校正 （PFC） 和輸出整流器級中的 V 額定 GeneSiC 二極管提供高效， 穩(wěn)健的操作.高性能 GeneSiC 組件的運行溫度高達 12 由于極低的閾值電壓（V 千 ）特性，可最大限度地節(jié)省能源并支持更長的使用壽命運行。

快速充電也是工業(yè)領(lǐng)域的關(guān)鍵要求， 再次， 正在部署 GeneSiC 技術(shù)以解決特定應用的挑戰(zhàn).?？宋鞯录夹g(shù) ^六^ ， 例如， 采用新的， 領(lǐng)先的 GeneSiC 功率半導體，以確保可靠性， 安全性， 易用性， 和最佳充電在其下一代工業(yè)材料處理設(shè)備的高頻快速充電器.

Exide 的 2100 系列快速充電器可將 220 V 交流電源轉(zhuǎn)換為 24 至 80 V 之間的電池級電壓，適用于自動導引車 （AGV） 和叉車和托盤搬運等載人物料搬運設(shè)備。每個 7 kW 模塊使用 GeneSiC 750 V MOSFET 和具有頻率優(yōu)化架構(gòu)的 MPS 肖特基二極管.同一平臺可以升級到 10 kW，四個模塊并聯(lián)提供 40 kW 的可靠快速充電功率。

太陽能

SiC的另一個重要增長動力是太陽能轉(zhuǎn)換、風能、熱泵和儲能等領(lǐng)域的能源管理。

近年來，由于天氣條件和氣候變化，我們看到停電次數(shù)增加。2021 年，全球發(fā)生了 3.5 億次停電，在美國，報告的嚴重停電中約有 83% 歸因于天氣相關(guān)事件 ^v^ .由于電網(wǎng)的穩(wěn)定性受到質(zhì)疑，客戶正在他們的家庭和企業(yè)中安裝太陽能和BESS技術(shù)。事實上，美國與太陽能電池板一起出售的電池存儲能力的“附加率”在短短18個月內(nèi)從9.5%增加到17.1%。擁有能源獨立和能夠離網(wǎng)生活不僅提供了安全性，而且還允許客戶優(yōu)化和管理能源存儲和使用，以降低電費——在公用事業(yè)成本不斷增加的市場中，這是一個越來越重要的問題。

GeneSiC 已經(jīng)在太陽能市場建立了幾年， 其技術(shù)可以在各種逆變器中找到， 包括 KATEK 的 Steca coolcept fleX 系列 ^七^ ，它將一串太陽能電池板的直流電轉(zhuǎn)換為 4.6 kW 的交流電，供家庭使用、返回電網(wǎng)或存儲在本地以供以后使用。

每個逆變器使用 16 個 GeneSiC 1200 V， 75 mΩ 額定碳化硅 MOSFET 提供具有雙向升壓轉(zhuǎn)換器和用于交流電壓輸出的 H4 拓撲的兩電平轉(zhuǎn)換器.除了提供該應用所需的性能和可靠性外，SiC技術(shù)的開關(guān)頻率增加還可以減小無源元件的尺寸和重量，與傳統(tǒng)的硅基逆變器相比，這優(yōu)化了KATEK單元的尺寸和重量。

儲能

美國家庭平均每天使用29千瓦時 ^八^ ，這種需求通常需要 20-25 塊太陽能電池板。假設(shè)屋頂每天接受四個小時的陽光照射，每個面板提供 350 W 的功率，那么將需要 22 塊面板。問題在于，大約30%的用電量發(fā)生在太陽能生產(chǎn)時間內(nèi)。正午的日光最強，提供的能量也最大，但大多數(shù)房主都在工作，無法使用這種免費能源。

將來自太陽的能量儲存起來以供以后使用意味著當房主在晚上回家時 - 這是電網(wǎng)的電力成本達到峰值的時候 - 他們可以切換到電池系統(tǒng)。這減少了水電費并優(yōu)化了能源的分配方式。

有幾種方法可以在BESS中存儲能量，包括太陽能，電網(wǎng)連接，以及如前所述，來自電動汽車的能量。

BESS由電池模塊，電池管理系統(tǒng)（BMS），能量管理系統(tǒng)（EMS）和電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（PCS）組成。典型的系統(tǒng)范圍在 10-20 kW 之間，這意味著為家庭供電 8 到 16 小時。寬帶隙器件，如SiC MOSFET和GaN功率IC，用于這些系統(tǒng)的逆變器和降壓-升壓級，以轉(zhuǎn)換AC-DC（從電網(wǎng)到電池），DC-DC（從太陽能到電池）和DC-AC（從電池到電網(wǎng)或電池到家庭）。

碳化硅技術(shù)更新 – MOSFET

必須提供更高的性能和更高效的能源轉(zhuǎn)換和控制，同時通過世界電氣化和減少一氧化碳來支持環(huán)境可持續(xù)性2排放正在推動面向大眾市場應用的SiC解決方案的持續(xù)開發(fā)。以， 以， GeneSiC 溝槽輔助平面柵極 MOSFET 技術(shù).

雖然與硅相比，SiC MOSFET由于其寬帶隙特性和高電場強度而具有優(yōu)異的導電性和開關(guān)性能，但使用平面或溝槽技術(shù)的傳統(tǒng)設(shè)計不得不在可制造性、性能和/或可靠性之間做出妥協(xié)。專利 GeneSiC 溝槽輔助平面柵極設(shè)計， 然而， 是一種不折不扣的下一代解決方案，支持高產(chǎn)量制造， 快速和涼爽的操作， 以及延長的長壽命可靠性.結(jié)合業(yè)界最低的 R DS（ON） 在高溫和高速下的最低能量損失，這些器件可實現(xiàn)前所未有的行業(yè)領(lǐng)先性能、穩(wěn)健性和質(zhì)量水平。

R的問題 DS（ON） 溫度尤其重要。在實際應用中，系統(tǒng)環(huán)境溫度可能高達80°C，器件電源循環(huán)會進一步提高結(jié)溫。GeneSiC MOSFET 在設(shè)計時考慮到了這一點，并支持業(yè)界最低的 R DS（ON） 溫度系數(shù)。在數(shù)據(jù)表中，R DS（ON） 額定溫度通常為 25 °C，但根據(jù)溫度系數(shù)，在高溫下會顯著升高。在測試中， 一個 GeneSiC 1200 V， 40 mΩ 碳化硅 MOSFET 在 D2PAK 中與可比的領(lǐng)先碳化硅 MOSFET 技術(shù)進行了比較， 并實現(xiàn)了等效的柵極驅(qū)動和條件以揭示真正的比較.結(jié)果表明， GeneSiC MOSFET 在 25 °C 較低的外殼溫度下工作， 這導致顯著降低損耗和更高的系統(tǒng)效率.從可靠性的角度來看，25°C的冷卻器運行意味著設(shè)備壽命延長了三倍。

評估 SiC MOSFET 的其他重要“品質(zhì)因數(shù)”是電阻和面積以及電阻和柵極電荷。

最新的 Yole SystemPlus 碳化硅晶體管 2022 年報告比較了 12 種用于 RDS（ON）*面積和 RDS（ON）*QG 的碳化硅 MOSFET 技術(shù)， 結(jié)果表明，GeneSiC 的新型 MOSFET 技術(shù)優(yōu)于所有競爭對手， 包括溝槽柵極結(jié)構(gòu)， 同時保持優(yōu)勢或平面柵極堅固性， 短路能力和更簡單的制造工藝.

* 圖3. 工作溫度比較。圖片由 Bodo 的動力系統(tǒng)提供 [PDF]*

* 圖4. GeneSiC 開創(chuàng)性的 MOSFET 技術(shù)引領(lǐng)行業(yè)，并通過第三方評估證明.圖片由 Bodo 的動力系統(tǒng)提供 [PDF]*

在 2019， GeneSiC 與桑迪亞國家實驗室和美國能源部合作，創(chuàng)建了一個最先進的， 領(lǐng)先的單片集成 SiC 雙植入金屬氧化物半導體 （DMOSFET） 器件結(jié)構(gòu)與合并的 PiN 肖特基 （MPS） 二極管.該產(chǎn)品后來在100個研發(fā)獎中獲得了綠色科技特別認可。在 MOSFET 中集成 JBS 二極管可提供更高效的雙向性能、與溫度無關(guān)的開關(guān)、低開關(guān)和傳導損耗、更低的冷卻要求以及卓越的長期可靠性。典型應用是“中壓”電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，例如牽引、脈沖電源和智能電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施。

MOSFET 和二極管的單片集成可在續(xù)流二極管工作期間實現(xiàn)低導通損耗，而無需外部連接的肖特基二極管。此外，MOSFET結(jié)構(gòu)的內(nèi)置P阱/N漂移體二極管被旁路，這可能導致MOSFET的N-漂移層內(nèi)存在的基平面位錯（BPD）故障。

* 圖5. 具有單片集成 MPS 二極管的 GeneSiC MOSFET 提高了第 3 象限操作的效率并顯著提高了可靠性.圖片由 Bodo 的動力系統(tǒng)提供 [PDF]*

* 圖6. 與分立式 SiC MOSFET 相比，帶 MPS 二極管的 3.3 kV 單片 MOSFET 在第三象限工作時具有顯著更低的壓降。圖片由 Bodo 的動力系統(tǒng)提供 [PDF]*

* 圖7. 使用集成二極管的 3.3kV SiC MOSFET 可減少串聯(lián)器件數(shù)量，提高系統(tǒng)效率和可靠性，同時降低重量、尺寸和冷卻要求。圖片由 Bodo 的動力系統(tǒng)提供 [PDF]*

通過考慮中壓（MV）電網(wǎng)到電池儲能系統(tǒng)的實施，可以看出該技術(shù)提供的好處，其中MV電網(wǎng)通過隔離拓撲連接到BESS，例如雙有源橋（DAB）和有源前端轉(zhuǎn)換器（AFEC）。與兩電平拓撲相比，三電平中性點鉗位（NPC）逆變器降低了濾波器要求，降低了SiC MOSFET兩端的電壓應力。

根據(jù)電網(wǎng)電壓，可以串聯(lián) SiC 3.3 kV MOSFET 二極管器件（圖 7），而低壓側(cè)由 1200 V SiC 器件支持。中頻變壓器的開關(guān)頻率范圍為 10 - 20 kHz。可根據(jù)功率要求使用單相或三相拓撲。使用單個 3.3 kV SiC MOSFET 二極管替代串聯(lián)的多個 1.2 - 1.7 kV MOSFET 或 IGBT 具有顯著優(yōu)勢，包括更容易的柵極驅(qū)動、更低的寄生電感、更低的傳導損耗和更高的系統(tǒng)效率。除了系統(tǒng)尺寸和重量外，冷卻要求也可以大幅降低。

碳化硅技術(shù)更新 – 二極管和模塊

在PCIM 2023上，納微宣布了5^千^采用低內(nèi)置電壓偏置技術(shù)的合并引腳肖特基（MPS）二極管，提供卓越的FOM和最高的魯棒性，可在所有負載情況下為SMPS PFC應用提供行業(yè)領(lǐng)先的效率。MPS 二極管的新穎設(shè)計結(jié)合了 PiN 和肖特基二極管結(jié)構(gòu)的最佳特性，產(chǎn)生最低的正向壓降 （V F ）、高浪涌電流能力 （I 密克羅尼西亞聯(lián)邦 ），并將與溫度無關(guān)的開關(guān)損耗降至最低。專有的薄芯片技術(shù)進一步降低了VF并改善了冷卻器操作的散熱。

此外，Gen 5 MPS 二極管專為需要高浪涌電流和雪崩能力的應用而設(shè)計，具有一流的魯棒性和耐用性，這對于故障安全設(shè)計至關(guān)重要。所有 GeneSiC 設(shè)備都經(jīng)過 100% 雪崩 （UIL） 生產(chǎn)測試，以確保在過壓條件下最高水平的耐用性.

這些器件是連續(xù)電流模式 （CCM） PFC 電路的理想選擇，因為它們具有出色的品質(zhì)因數(shù)，包括低 VF1.3 V 和最小容性電荷 （Q C ).此外，零反向恢復電荷改善了PFC MOSFET的導通性能。結(jié)果是一個更涼爽、更可靠的系統(tǒng)。

* 圖8. GeneSiC Gen 5 650V 二極管具有新穎的結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)低內(nèi)置電壓偏置，同時提供出色的品質(zhì)因數(shù) （QC.VF）。圖片由 Bodo 的動力系統(tǒng)提供 [PDF]*

* 圖9. 在 3 kW 交錯式升壓 PFC， 由于卓越的 FOM，GeneSiC 二極管在輕負載和滿負載下提供最高的系統(tǒng)效率.圖片由 Bodo 的動力系統(tǒng)提供 [PDF]*

SiCPAK 碳化硅場效應管模塊

納微還宣布推出其模塊封裝產(chǎn)品組合，從SiCPak模塊開始。 ^九^ .這些行業(yè)標準的壓接模塊在設(shè)計時將性能、可靠性和堅固性放在首位。G3 1200V MOSFET 的半橋配置范圍為 6mOhms 以上。碳化硅 MOSFET 經(jīng)過銀燒結(jié)，可提供卓越的散熱和可靠性。此外，直接鍵合銅 （DBC） 基板由氮化硅 （Si3N4） 陶瓷上的活性金屬釬焊 （AMB） 制造，是高功率循環(huán)應用的理想選擇。優(yōu)異的彎曲強度、高斷裂韌性和優(yōu)異的導熱性使氮化硅（Si3N4）非常適合電力電子基板。

電動汽車、可再生能源和儲能等增長市場正在推動更高的系統(tǒng)效率要求，只有 SiC 功率器件才能實現(xiàn)這些要求。