[原创] 英飞凌高管谈碳化硅
2020-04-26
14:00:24
来源: 半导体行业观察
根据IHS的数据预估，今年的SiC（碳化硅）市场总额将会达到5000万美元，到2028年将飙升到1亿6000万。其中在电动汽车充电市场，SiC在未来几年的符合增长率高达59%；在光伏和储能市场，SiC的年复合增长率也有26%；而在电源部分，这个数字也有16%。整体年复合增长率也高达16%。
英飞凌科技电源与传感系统事业部大中华区开关电源应用高级市场经理陈清源告诉记者，市场追逐SiC，主要是看好他们在带隙、击穿场强、热导率和电子漂移速度等几个方面的特性。
据介绍，在带隙（band gap）方面，碳化硅是硅材料的大概三倍；在单位面积的阻隔电压的能力方面，碳化硅更是硅的7倍；碳化硅的热导率也是硅的大概3倍多；电子漂移速度也比硅快一倍。
因为拥有这些特点，碳化硅器件能够拥有更高的温度和电压、更高的饱和速度、管子在开通和关断的速度也更快。再者，电源在工作过程中，不可避免地有损耗，从而产生热。而这个高热导率则可以把器件中的热带出来，让功率处理能力更强。
SiC的以上这些特性可以让我们做出更加轻薄短小的功率器件。对电子设计工程师而言，那就意味着他们在硅器件上碰到的问题都迎刃而解了。有了更好的材料，加上他们更聪明的头脑，更好的控制方式，就可以设计出更好的电源。而这正是英飞凌过去一直在做的事。
陈清源表示，英飞凌在碳化硅领域已经有了十几年的经验，公司推出的SiC二极管，也已经更新到第六代。此外，公司还有一些应用在汽车领域的大功率SiC模块。而为了帮助开发者更好地利用SiC的优势，英飞凌除了研发相关器件以外，还推出了专门的驱动IC，这与其SiC MOSFET搭配，获得了更高的效率和更高的稳定度。而沟槽式的设计是英飞凌SiC MOSFET能在市场上获得优越表现的另一个不可忽视的重要因素。
据了解，现在的SiC有两种主流制造工艺，分别为平面式和沟槽式。但平面式的架构因为在其闸极氧化层容易产生电子的扰流散射，这就使得其可靠性受到了客户的质疑。但是沟槽式设计，在兼顾到可靠性的同时，还能提升电源效率。
“我们沟槽式的经验来自于CoolMOS方面的十数年积累，这就让我们在用沟槽式的设计时，不但达到性能的要求，而不会偏离它的可靠度。就以碳化硅MOS为例，在同样的可靠度上面，碳化硅沟槽式的设计会远比平面式的碳化硅MOS拥有更高的性能”，陈清源补充说。而借用这个设计，英飞凌也将器件的性能发挥到极致。自有的生产线，也让英飞凌可以在产能上面有更好的保证。而650V CoolSiC™ MOSFET技术和产品则是他们努力的结晶。
据英飞凌介绍，其650V CoolSi MOSFET器件的额定值在27 mΩ-107 mΩ之间，既可采用典型的TO-247 3引脚封装，也支持开关损耗更低的TO-247 4引脚封装。与过去发布的所有CoolSiC™ MOSFET产品相比，全新650V系列基于英飞凌先进的沟槽半导体技术。通过最大限度地发挥碳化硅强大的物理特性，确保了器件具有出色的可靠性、出类拔萃的开关损耗和导通损耗。此外，它们还具备最高的跨导水平（增益）、4V的阈值电压（Vth）和短路稳健性。总而言之，沟槽技术可以在毫不折衷的情况下，在应用中实现最低的损耗，并在运行中实现最佳可靠性。
与市面上其它硅基以及碳化硅解决方案相比，英飞凌650V CoolSi MOSFET能够带来更加吸引人的优势：主要在于更高开关频率下更优的开关效率以及出色的可靠性。得益于与温度相关的超低导通电阻（RDS(on)），这些器件具备出色的热性能。此外，它们还采用了坚固耐用的体二极管，有非常低的反向恢复电荷：比最佳的超结CoolMOS™ MOSFET低80%左右。其换向坚固性，更是轻松实现了98%的整体系统效率，如通过连续导通模式图腾柱功率因素校正（PFC）。
根据英飞凌的规划，这些高性能的产品将会在服务器和数据中心的通信电源、工业电源、光伏、充电桩、不间断电源系统和能源存储等多个领域发挥重要的作用。
除了SiC外，陈清源还给我们分享了英飞凌在Si和GaN这些功率器件方面的看法和布局。
如上图所示，作为最成熟的器件，硅器件适用于电压范围在25V低压到中压到1.7kV的应用；碳化硅则适合于650V到高压3.3kV的应用；至于氮化镓，则可以在80V到650V电压区间的应用上找到很好的定位。在他看来，这三种器件会共存，并不存在一种取代另一种的状况。
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