穩健性測試對碳化矽供應鏈來說不可或缺
碳化矽（SiC）不算新鮮事物了。1893年，它在亞利桑那州的一塊隕石中首次被確認為稀有礦物碳矽石，而合成材料早在1907年就被用作寶石和電子產品中的二極體探測器。
如今，它是一種神奇的材料，可以在半導體中取代矽，開關速度更快，損耗更低。從碳化硅中受益最多的應用包括當前備受關注的三個領域：電動汽車（EV）充電和動力系統、太陽能和儲能系統。
除了自己的端到端EliteSiC 供應鏈外，安森美還打造了強大的測試和製造控制，提供可靠的碳化矽解決方案。
重點應用領域：電動汽車、太陽能和儲能
碳化矽半導體的一個重要應用是道路旁快速直流充電器和車載充電器中，更高的效率與開關頻率相結合，使得轉換器更小、更便宜、更輕。較低的損耗意味著降低能源成本，減少對環境的影響，並縮短電網上特定負載的充電時間。對於車載變流器來說，較小的尺寸在引擎蓋下的擁擠空間中更受歡迎，較低的重量意味著每次充完電的續航時間更長。在電動汽車動力系統中，儘管碳化矽MOSFET正在取得進展，但其低開關損耗的優勢並不大，因為開關頻率要保持在較低水準來適應牽引電機。導通損耗在牽引逆變器中是個更大的問題，可以預計，隨著碳化矽導通電阻的提高，它們的吸收率將增加，從而取代IGBT —— 因為儘管有其他性能的提高，IGBT的飽和電壓將保持近乎恒定。
智慧家居應用
圖中所示的智能家居與電動車、太陽能和儲能的互聯。(來源：安富利)
在太陽能裝置中，EliteSiC 的效率提高使間歇性能源得到充分利用，因此直接影響到從裝置中獲得的收益及其資本支出的回收時間 —— 這對任何太陽能用戶來說都是一個重要的指標，從家用到電網規模。EliteSiC MOSFET在從太陽能電池直流電產生高壓母線的升壓轉換器階段非常理想，它們在產生電網交流電的逆變器階段也很出色。這對於工作在數十到數百千瓦級別的組串式逆變器來說尤其如此。更高功率和兆瓦級的集中式逆變器可能仍然使用IGBT技術。正如在電動汽車動力系統中一樣，EliteSiC MOSFET將隨著其導通電阻的降低而提高功率等級。
隨著智慧和分散式電網的發展趨勢，儲能系統（ESS） —— 尤其是電池版本 —— 已成為可再生能源後備的基本組成部分，也是通過調峰來平穩需求的一種方式。在這一功能中，它們經常與大型超高速電動車充電站結合在一起，這些充電站的需求有時在夜間為零，而在繁忙的一天中則達到兆瓦。電池存儲系統可適用於10千瓦以下的住宅，也可用於150千瓦以上的公用事業規模。在高功率下，所採用的雙向功率轉換級通常是模組化格式，以實現可擴展性和容錯率，因此所有範圍的安裝SiC MOSFET解決方案都適合。
多種多樣的EliteSiC 器件如何適配重點應用
通用的構建模組存在于各種應用：帶功率因數校正（PFC）的AC-DC轉換器，隔離的DC-DC轉換器以及單相、三相逆變器。在每種情況下，轉換器都可以是單向的或雙向的。
在PFC階段，升壓轉換器最簡單的安排可以使用SiC MOSFET和SiC飛輪二極體。安森美產品的範圍可以以適應高達1100V的直流鏈母線電壓（DC link bus voltages），其器件的額定電壓為1200V和650V。對於更高的功率，可以使用交錯式的簡單升壓轉換器，也可以使用圖騰柱PFC階段，完全可以同步的，能夠雙向運行，而且效率很高。
一條電路消除了有損耗的交流整流橋，但對於矽MOSFET來說是不切實際的，因為它在連續導通模式下工作時是一種硬開關拓撲結構，在高功率下是必要的。在硬開關中，開關體二極體會導電，但SiC有一個二極體具有足夠低的損耗。開關看到的是完整的直流鏈電壓，因此，安森美 1200 V器件同樣是共軌（common rail）的理想選擇，無論是作為非隔離逆變器級的電源，還是隔離的DC-DC級的電源。在更高的功率下，可以使用維也納整流器這樣的有源前端，雖然它的基本形式是單向的，但在直流鏈電壓的一半時就會對開關產生壓力，所以通常可以使用650V的器件，其損耗和成本相對較低。
用於創建系統或電池充電電壓的隔離式DC-DC級有各種不同的類型，取決於功率水準、效率和成本目標。在我們討論的應用中，最簡單的可能是LLC轉換器，它是一種以可變頻率運行的諧振型。在LLC中，電晶體的電壓壓力被鉗制在直流輸入電壓上，因此1200V的安森美器件可以安全地使用1000V左右的電壓。650V的器件很適合標稱370/400V的匯流排，並有良好的餘量。在更高的功率下，可以使用軟開關或硬開關的橋式轉換器，SiC MOSFET也是一個很好的選擇 —— 由於器件電容值較低，開關頻率可以提高，把動態損耗降到最低。由於SiC MOSFET具有快速、低損耗的體二極體、低導通和斷態的能量（off-state energy），甚至安排硬開關也是可行的。
在所有情況下，可以通過並行器件來提高性能。可以讓IGBT共用電流，但總耗散量大致相同，而MOSFET減低總耗散量，數值與器件的數量成正比。實際上更好的是，因為較低的共用電流產生較低的結溫上升，因此比單個器件的導通電阻上升更低。隨著器件成本的下降，這種方法越來越有吸引力。
碳化硅半導體製造有助於確保供應鏈
安森美的端到端供應鏈流程
安森美擁有端到端的供應鏈，並對所有產品進行全面的驗證測試。(來源：安森美)
隨著功率水準越來越高，SiC器件顯然是功率轉換的未來。為了與IGBT和Si-MOSFET競爭，碳化矽必須有一個穩健的供應鏈和一套能保證品質和一致性的製造工藝。
像所有的新技術一樣，碳化硅MOSFET必須在設計中進行驗證，在20世紀80年代和90年代初首次開發時，有一些最初的困難和意外。人們觀察到晶格缺陷導致了高漏電、擊穿和柵極閾值不穩定。即使在今天，碳化硅MOSFET的製造也需要仔細檢查。
為了確保汽車級的品質，安森美的EliteSiC 製造方法垂直整合了所有工藝，從晶圓到design-in設計支持的所有階段都保持最嚴格的控制。
除了符合汽車AEC-Q標準的嚴格品質控制系統外，安森美還對新的EliteSiC 產品進行了全面的確認和驗證和測試，包括在100%的額定電壓和175℃下進行的可靠性測試。在175°C的高場應力條件下評估柵極氧化物的臨界可靠性這一關鍵指標，且高於額定值。通過測試，解決了偏壓期間柵極閾值穩定性的問題，測試顯示在較長時間內，這項參數沒有明顯變化。測試是在高溫下進行的，並且施加了全部的正負額定電壓。
柵極閾值測試
安森美的測試證實其目標器件EliteSiC MOSFET柵極閾值在壓力下沒有明顯變化。(來源：安森美）
測試還在類比了最壞情況的實際應用電路中進行，例如在帶有電感負載的連續導通模式下的硬開關H橋電路（H-bridge）中。測試時長通常為168小時，使用不同批次的多個單件，並檢查所有通道或體二極體的退化。當然，也要進行AECQ-101資格認證所需的全套測試，包括電氣、機械和環境壓力。
在製造過程中，晶圓在外延前後都要進行缺陷掃描，所有的裸片都要進行100%的雪崩性能測試，並在高溫下老煉，以便檢測和消除任何外在的柵極氧化物故障。
安森美提供各式各樣的碳化硅器件
安森美提供的一系列適合EliteSiC 二極體和MOSFET典型應用的封裝樣式，從用於高速開關的最新無鉛TOLL封裝，及其低電感和開爾文連接法（Kelvin connections），到傳統的三層和四層TO-247器件，再到2/4/6封裝樣式的模組，以及專門為半橋和全橋腳和維也納整流器設計的器件。額定電壓可達1700V，分立器件的電流可達163A。模組的額定電壓為1200V，裸片導通電阻在1200V時低至10mohm，在900V時低至2.2mohm。
憑藉世界一流的設計、技術和製造，安森美EliteSiC 半導體達到或超過了競爭對手的性能，通過多個品質優值（Figure of Merit，FoM）對比資料表明，在不同應用電路中安森美產品實現了傳導和動態損耗的出色組合。另一個好處是，安森美在所有應用領域 —— 特別是以其在汽車和工業領域深厚的應用知識而聞名，並在EMEA（歐洲、中東，非洲）、美國和亞洲等據點提供全球應用支持。
