探究SiC功率半导体在电源设备上的应用

曾建强

【摘要】传统的硅材料很难满足高温高压的作业要求，以碳化硅为代表的新型半导体材料，具有优良的表现，突破了电子电器发展的瓶颈。技术人员应该强化硬件投入与软件检查，结合电源设备的实际状况，提出针对性的解决措施，扩大碳化硅功率半导体在电子元器上的应用。

【关键词】SiC功率半导体、电源设备、应用

引言：半导体器件的发展与国家科学技术进步息息相关，当下正处于我国能源改革的关键时期，功率半导体对能源行业有着重要的基础支撑作用。半导体器件在电子行业中应用广泛，能源消耗涨幅约占10%。作为技术人员，应该明确半导体发展的战略机遇，推动半导体研发产业化。

一、SiC功率半导体的概述

碳化硅作为一种无机物，是由石英砂、焦油、木屑等原料，通过电阻炉高温冶炼而成。由于碳化硅优良的性质，在电源设备中应用广泛。纯碳化硅是无色透明的晶体，SiC作为典型的原子晶体，其韧性高，广泛用于钛合金、光学玻璃等各种领域，碳化硅化学性质极其稳定，导热系数高，耐磨性好，大量用于制作电热元件。自2016下半年以来，MOSFET、Rectifier、二极管等功率器件价格不断上涨，功率器件供不应求，年复合增长率约为4%，由此可见SiC功率半导体具有广阔的发展空间。2020年全球功率器件市场规模约为218亿美元，合计占到整个功率器件市场的3/4左右。

二 、  SiC功率半导体在发展中的困境

当下我国电子元器件行业快速发展，下端市场快速發展，上游的材料学更新速度较慢，难以完全满足行业需要。专业人才匮乏和技术的策略已经成为了制约电源行业发展的主要因素之一。SiC功率半导体的性能研究需要持续投入大量的资金，在后疫情时代仍是较大的挑战。原厂缺货涨价、工作不稳定等问题，制约着SiC功率半导体行业的稳步增长。SiC功率半导体涉及了多重领域知识，而部分作业人员专业知识比较欠缺，缺乏有效的数据意识，对材料学、电子学、智能控制领域认识不清，内部缺乏有效的数据管理机制，日常作业系统混乱。各个工序之间的协调性较差。电源的集成性较差。

电源是是整个电源中的供能设备，日常作业压力较大，容易出现电荷迁移、引发漏电现象，部分晶体管本身介质较薄，容易出现不可见的缺陷。此外，电源需要耦合大量信息，在执行命令过程中难免会出现问题。

三、SiC功率半导体在电源设备上的措施

碳化硅硬度大，具有耐高热性，导热性较强，是优良的半导体材料。SiC功率半导体在生产过程中可能会存在一定的缺陷，在外界应力过大时就容易出现时效问题。筛选SiC功率半导体的应该采用合理的标准化方法，进行一些非破坏性的实验，通过多样化的手段剔除存在潜在缺陷的SiC功率半导体，以保证电源设备使用的稳定性。在整个筛选过程中要严格采取静电保护措施，避免对SiC功率半导体的伤害，根据分析结果查明是否存在批次性问题，对批次性问题应该采取直接淘汰的方法。碳化硅功率器件的功率主要在1kw-500kw之间、工作频率在10KHz-100MHz之间的场景，因此在实际应用中，可以联合使用硅基MOSFET与IGBT，将工作流程分为执行、输出、刷新三个阶段，保证生产线作业流程化、模式化，降低工作压力，有效延长控制系统数据平台的使用寿命。

四、SiC功率半导体在电源设备上的应用

（一）二极管

半导体本身作为一种特殊材料。半导体发光二极管是一种可以发光的材料，主要的原料是碳化硅，其发光程度肉眼可见。在不断发展过程中，发光二极管可以判断逻辑与非的命令。目前发光二极管与激光二极管联合应用形成超辐射发光二极管，具有广阔的市场前景。

（二）半导体激光器

半导体激光器作为发光二极管的进一步改良和发展，半导体激光器结合了碳化硅材料的优点，它以二极管或者是为基础材料，能量转化效率较高，可采用简单的注入电流的方式来泵浦，直接由高能电子束进行激励，性能转化效率高。

（三）光纤通信和传感

传统的光纤传导主要是以硅单质为主。而光纤通信利用激光作为载体，光线纤维作为传输信息的媒介，除了传递文字信息外，还可以传递图像，数据等不同信息。光纤通信作为现代社会主要的传播方式之一，SiC功率半导体传送的信息量大，质量好，保密性，整体的制造成本较低。

（五）新能源汽车

SiC功率半导体稳定性较强，目前已经开始应用在电动汽车产品的生产中，SiC功率半导体有效降低驱动系统自身的重量。与电动汽车中的各项系统进行组合能够达到良好的效果，据研究发现电动汽车的系统损耗功率可降低50%以上，同时还能够解决电路拓扑的问题，提高整体的能量运转效率。

五、SiC功率半导体的发展方向

当下社会对电源设备的要求较高，电源的产品趋向于小型化和多功能化的方向发展。目前由于材料和技术的限制，只能通过电源封装的技术来缩小体系，在未来发展过程中将会综合采取陶瓷材料借助低温共烧封装技术，将电源直接埋入到电器的基板中，从而有效缩小电容器的体积，满足消费者的多样化需求。设计人员要实现精细化作业，实现对整个操作流程的监管，严格按照自动化的操作流程，确保SiC功率半导体运行的稳定性和精确度，不断扩大其适用范围。目前一些发达国家已经严禁使用污染严重的金属材料，在未来发展过程中电源的将会朝着趋向于低成本、绿色化的方向发展，持续扩大SiC功率半导体的应用范围，逐渐发展可替代性的材料，整合MC M、芯片组装技术不断缩小电源设备的体系，通过集成化管理，在降低整体的生产成本的基础上，提高整体的市场竞争力。

总结：SiC功率半导体在是推动电源行业发展的硬件基础，但目前我国半导体电子器件的领域不够深入，在未来发展过程中，需要持续探索结合硬件信息和软件参数。充分发挥碳化硅的稳定特性，强化对SiC功率半导体的筛选，基于深度学习的目标检验方法，快速确定工艺条件，深入分析电源设备所出现的突出问题，积累经验，完善生产过程，实现后续的批量生产，有效地提高产品质量，推动电源设备的自动化、智能化。

参考文献：

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