未來(lái)8年SiC以16%高速增長(zhǎng)，英飛凌 CoolSiC MOSFET以技術(shù)取勝

相對(duì)于 Si 材料，SiC 在帶隙、擊穿場(chǎng)強(qiáng)、電子遷移率、熱導(dǎo)率和電子漂移率等參數(shù)上都具優(yōu)勢(shì)，在工業(yè)電源、光伏、充電樁、不間斷電源系統(tǒng)，以及能源儲(chǔ)存領(lǐng)域的應(yīng)用快速增長(zhǎng)。根據(jù) HIS 的市場(chǎng)預(yù)測(cè)，從 2020 年到 2028 年，650V SiC MOSFET 的年度復(fù)合增長(zhǎng)率高達(dá) 16%，2020 年市場(chǎng)份額接近 5000 萬(wàn)美元，到 2028 年市場(chǎng)份額將會(huì)達(dá)到 1 億 6000 萬(wàn)美元。

英飛凌科技電源與傳感系統(tǒng)事業(yè)部大中華區(qū)開(kāi)關(guān)電源應(yīng)用高級(jí)市場(chǎng)經(jīng)理陳清源

作為功率器件的重要供應(yīng)商，英飛凌已將在 SiC 領(lǐng)域有超過(guò) 10 年的技術(shù)積累。近期，英飛凌推出了 650 V CoolSiC? MOSFET 系列產(chǎn)品，該系列產(chǎn)品的額定值在 27 mΩ-107 mΩ之間，既可采用典型的 TO-247 3 引腳封裝，也支持開(kāi)關(guān)損耗更低的 TO-247 4 引腳封裝。與過(guò)去發(fā)布的所有 CoolSiC? MOSFET 產(chǎn)品相比，全新 650V 系列通過(guò)最大限度地發(fā)揮碳化硅強(qiáng)大的物理特性，確保了器件具有出色的可靠性、出類(lèi)拔萃的開(kāi)關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗。此外，它們還具備最高的跨導(dǎo)水平（增益）、4V 的閾值電壓（Vth）和短路穩(wěn)健性。

在電源市場(chǎng)，功率器件的可靠度是一項(xiàng)重要考核指標(biāo)，一般應(yīng)用于通訊電源市場(chǎng)的產(chǎn)品需要滿(mǎn)足十年以上適用期限，服務(wù)器和資料中心也需要工作 5 年 -10 年。英飛凌針對(duì) SiC 產(chǎn)品的可靠度做了深度優(yōu)化，增加了柵極氧化層的可靠度。據(jù)英飛凌科技電源與傳感系統(tǒng)事業(yè)部大中華區(qū)開(kāi)關(guān)電源應(yīng)用高級(jí)市場(chǎng)經(jīng)理陳清源介紹，“該系列之所以可以實(shí)現(xiàn)更高的可靠性、更好的開(kāi)關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗，是因?yàn)樵撓盗挟a(chǎn)品采用了英飛凌先進(jìn)的溝槽半導(dǎo)體技術(shù)，可以在毫不折衷的情況下，在應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)最低的損耗，并在運(yùn)行中實(shí)現(xiàn)最佳可靠性?！?/p>

溝槽式是未來(lái)的趨勢(shì)

目前在 SiC 的前端工藝上有兩種主流技術(shù)，一個(gè)是平面式，一個(gè)是溝槽式，平面式在導(dǎo)通狀態(tài)下，性能與柵極氧化層可靠性之間需要進(jìn)行折衷；溝槽式更容易達(dá)到性能要求而不偏離柵極氧化層的安全條件。陳清源強(qiáng)調(diào)，“英飛凌的 CoolSiC MOSFET 采取了溝槽式，我們?cè)跍喜凼郊夹g(shù)領(lǐng)域有二十年的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，積累了大量專(zhuān)業(yè)技術(shù)，采用溝槽式設(shè)計(jì)可以達(dá)到更好的性能可靠度。以 SiC MOS 為例，在同樣的可靠度上面，溝槽式 SiC 設(shè)計(jì)遠(yuǎn)比平面式 SiC MOS 擁有更高的性能，我們認(rèn)為溝槽式是未來(lái)的趨勢(shì)?！?/p>

在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用中，如果用戶(hù)對(duì)性能的要求更好，陳清源建議，無(wú)論是 PFC，還是 LLC 全部采用我們的碳化硅的解決方案。無(wú)論是 PFC 達(dá)到效率值 99%，還是 LLC 達(dá)到 99%，整個(gè)系統(tǒng)的效率會(huì)達(dá)到 98%，這也是以前所做不到的。

采用圖騰柱結(jié)構(gòu)，有效提升效率

IGBT 與 CooIMOS 接近，為了防止“誤導(dǎo)通”，英飛凌把 V_GS重新設(shè)計(jì)到大于 4V，可以降低噪音導(dǎo)致的“誤導(dǎo)通”，采用了特殊的拓?fù)?，例?CCM 圖騰柱的拓?fù)?。關(guān)于圖騰柱的應(yīng)用，陳清源解釋?zhuān)鋵?shí)就是橋式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在高壓的電源轉(zhuǎn)換里面其實(shí)并不是很新的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)在低壓的電源轉(zhuǎn)換里面很常見(jiàn)，但在高壓電源轉(zhuǎn)換中，受限于現(xiàn)在一些器件所謂的“反向恢復(fù)特性”。比如，在大功率轉(zhuǎn)換里面常用的超級(jí)結(jié)的硅器件，它的“反向恢復(fù)特性”一般很難在大功率情況下采用圖騰柱的結(jié)構(gòu)工作。

碳化硅材料本身的“反向恢復(fù)速度”特別快，采用圖騰柱結(jié)構(gòu)，如果處于“軟開(kāi)關(guān)”時(shí)，或者由于一些條件導(dǎo)致體二極管會(huì)導(dǎo)通電流，又突然再反向，新材料比常見(jiàn)的硅材料反向恢復(fù)速度會(huì)快很多。這種情況下，在很多大功率電源轉(zhuǎn)換時(shí)，就可以用到以前在超級(jí)結(jié)時(shí)無(wú)法使用的圖騰柱結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)勢(shì)就是提高了功率密度以及效率。目前采用圖騰柱的 3kW PFC 在 220 伏的輸入條件下，可以做到（滿(mǎn)載）98%以上甚至 98.5%以上的效率。

另外對(duì)于硬換向的拓?fù)?，?Q_rr和 Q_oss兩個(gè)重要的參數(shù)，英飛凌的 CoolMOS 系列里有快速二極管，有了 SiC 之后，Q_rr是遠(yuǎn)低于 Si 器件的體二極管。如上圖，在 Q_oss的參數(shù)也更低。因此，在硬換向的拓?fù)渲锌梢赃_(dá)到更高的效率。對(duì)比其他廠(chǎng)商的 SiC MOSFET，其 R_DS(on)*Q_rr、 R_DS(on)*Q_oss參數(shù)的值都比英飛凌的產(chǎn)品高。由這一例子可以看出，英飛凌的 SiC 在圖騰柱的 PFC 設(shè)計(jì)中可以達(dá)到很高的效率。

以 48 mΩ、72 mΩ、107 mΩ圖騰柱設(shè)計(jì)為例，搭配英飛凌 CFD7 的 S7 系列。48 mΩ時(shí)，在 PFC 上的效率達(dá)到 99%。陳清源強(qiáng)調(diào)，“以硅技術(shù)很難做到。該系列配合英飛凌的驅(qū)動(dòng) IC 可以更好地優(yōu)化整體性能，設(shè)計(jì)穩(wěn)定性更好?！?/p>

放寬V_GS電壓范圍，增強(qiáng)抗雪崩能力

在電源的應(yīng)用中會(huì)存在電源不穩(wěn)定因素，可能會(huì)超過(guò)額定電壓 650V，造成器件損壞，因此需要功率器件具有抗雪崩能力。陳清源表示，“相對(duì)于傳統(tǒng)硅，在設(shè)計(jì)上面設(shè)計(jì)上，英飛凌把 V_GS電壓范圍放寬，在 0V 電壓可以關(guān)斷 V_GS，不會(huì)出現(xiàn)負(fù)電壓。如果是氮化鎵出現(xiàn)負(fù)電壓會(huì)造成整個(gè)電路的負(fù)擔(dān)，在設(shè)計(jì)上也出現(xiàn)壓力。我們?cè)?SiC 碳化硅技術(shù)上，兼顧性能、穩(wěn)定和堅(jiān)固性考量，方便了設(shè)計(jì)和使用?！?/p>

如上圖，將 CoolSiC、CoolGaN 和 CoolMOS 的物理特性進(jìn)行比較，在 25℃時(shí)，三者的導(dǎo)通電阻取值一樣；在 100℃時(shí)，CoolSiC 比 CoolGaN 低 26%，比 CoolMOS 低 32%。這表明，在高溫狀態(tài)下，SiC 的效能遠(yuǎn)比 GaN 和 Si 好；另外，CoolSiC 還可以降低設(shè)計(jì)成本。

對(duì)于 SiC 產(chǎn)品，良率低是阻礙其發(fā)展的一大屏障，英飛凌的 SiC 產(chǎn)品良率是否也存在這樣的問(wèn)題？ 陳清源強(qiáng)調(diào)，“英飛凌有自己的生產(chǎn)線(xiàn)，目前是 6 寸的工藝，8 寸工藝在規(guī)劃中，我們可以根據(jù)產(chǎn)能的需求調(diào)整，我們的產(chǎn)品良率事實(shí)上已經(jīng)掌握到不錯(cuò)的水平，畢竟我們?cè)跍喜凼皆O(shè)計(jì)上已經(jīng)做了 20 年的 CoolSiC?^?MOSFET?！?/p>