從Si到SiC：如何邁好功率電子技術升級的這一步？
發布時間：2022-04-12 來源：貿澤電子 責任編輯：wenwei
【導讀】如果說在2020年，GaN（氮化镓）憑借著向手機快充市場的滲透火了一把，成為當年寬禁帶（WBG）半導體界的“網紅”，到了2021年，市場的焦點則轉到了另一個寬禁帶半導體“新寵”SiC（碳化矽）身shen上shang，這zhe是shi因yin為wei從cong特te斯si拉la這zhe種zhong新xin能neng源yuan汽qi車che的de新xin銳rui公gong司si到dao傳chuan統tong的de老lao牌pai車che企qi，都dou不bu約yue而er同tong地di宣xuan布bu了le將jiang純chun電dian動dong汽qi車che電dian驅qu係xi統tong從cong矽gui基ji逆ni變bian器qi升sheng級ji為weiSiC逆變器的計劃，並由此引發了全球範圍內的SiC器件“搶芯大戰”。
眾所周知，在功率電子領域，Si器件的性能已經越發接近理論極限，後繼能夠為用戶提供的“紅利”也越來越有限，因此盡快讓寬禁帶半導體材料接棒，推動功率電子器件來一次“質”的迭代升級，已經是整個行業的大勢所趨。
圖1：Si、SiC和GaN材料特性比較
（圖源：安森美）
從圖1中可以看出，作為寬禁帶半導體材料家族中的一員，SiC的禁帶寬度高達3.26 eV，是Si材料（1.12 eV）的3倍，這意味著將SiC材料電子從價帶移動到導帶所需的能量約為Si材料的3倍，因此用SiC製成的器件可以承受更高的擊穿電壓，其介電擊穿場強是Si的10倍。而更高的擊穿場強，有利於降低在相同額定電壓下器件的“厚度”，從而降低器件的導通電阻，並提高其電流承載能力——以上這些特性，正是很多功率電子器件夢寐以求的。
同時，SiC的電子飽和速度比Si材料高2倍bei，這zhe個ge數shu值zhi越yue高gao，功gong率lv器qi件jian的de開kai關guan速su度du可ke以yi做zuo得de越yue快kuai，這zhe就jiu使shi得de高gao壓ya下xia的de高gao頻pin操cao作zuo所suo需xu的de驅qu動dong功gong率lv更geng小xiao，相xiang應ying的de能neng量liang損sun耗hao也ye更geng低di。而er且qie從cong係xi統tong的de角jiao度du來lai看kan，高gao頻pin開kai關guan電dian路lu允yun許xu使shi用yong更geng小xiao型xing化hua的de外wai圍wei器qi件jian，使shi得de整zheng個ge功gong率lv電dian子zi係xi統tong設she計ji更geng為wei緊jin湊cou，這zhe可ke謂wei是shi一yi石shi二er鳥niao。
再有，SiC的熱導率是Si的3倍，在給定的功耗下，較高的導熱率意味著較低的溫升，這使得SiC器件具有更佳的熱性能表現，可以支持更高的功率密度。與其他材料相比，SiC可以實現600°C的結溫，因此采用鍵合和封裝技術，在商用的SiC器件中確保支持150°C至200°C的高工作溫度顯然是遊刃有餘。
圖2：SiC技術在功率電子應用中的優勢
（圖源：安森美）
正是因為具有上述這些特性優勢，SiC成為了助力功率電子係統實現更高功率密度、更高開關速度、更低功率損耗、更高工作溫度、更小係統尺寸和成本的理想“人選”。
盡管目前由於製造工藝的特殊性，提升SiC器件的良率和產能仍是一個不小的挑戰，SiC器件的成本也比較高，但是從係統的角度來看，在替代Si器件之後，由於可以實現更小的封裝尺寸和成本、提高係統的整體能效，因此綜合成本評估下來仍然是很劃算的。比如在電動汽車電驅逆變器方麵有人測算過，使用SiC功率器件後可以讓整車功耗減少5%-10%，雖然逆變器模組的成本會增加，但是綜合來講電池成本、散熱成本，以及空間使用成本都會顯著降低，因而整車成本可以節省約2,000美元。這就不難理解為什麼新能源汽車圈會對SiC投入如此大的熱情了。
理想的功率開關器件
功率電子係統的目的，就是對高電壓、大電流的高功率能量進行高效的控製和傳輸。因此在人們的心目中，一款理想的功率電子開關器件應該滿足三個要求：足夠高的耐壓、盡可能低的導通電阻，以及更高的開關速度。
為此，人們利用Si材料打造出了兩款功率開關器件：MOSFET和IGBT。這兩種器件各具特點，不過受製於Si材料特性，他們距離“理想”功率開關器件的目標還有距離。
具體來講，矽基MOSFET的優點是開關速度較高（可達到數百kHz），但是導通電阻較大，恢複損耗也比較大。而且受製於Si材料的特性，其耐壓一般局限在1,000V以內，因此在高壓、高功率的應用中難於勝任。
而與MOSFET相比，IGBT可以實現更高的耐壓，導通電阻也較低，因此在高功率應用方麵更具優勢；但是由於有少數載流子積聚效應，導致IGBT反向恢複較慢，使其在高速開關應用時受限。
因此，矽基MOSFET通常是低電壓、高頻率開關應用的首選，而IGBT則更適合於更高電壓、更高電流、低頻率的應用。而與上述的Si器件相比較，SiC MOSFET卻可以集高耐壓、高頻率、低功耗等諸多優點於一身，再加上出眾的高溫工作特性，可以說是一款從性能上近乎“理想”的功率開關器件。
圖3：不同功率開關器件適合的應用區間
（圖源：安森美）
圖4對1,200V耐壓下的三種不同類型的功率開關器件進行了比較，可以直觀地看到，SiC MOSFET器件的導通電阻僅為SiMOSFET (SiC )的1/100、Si IGBT的1/3至1/5，同時可以實現更低的開關損耗。因此長期來看，在650V至1,700V，特別是1,200V及以上的功率電子領域——如新能源汽車、太陽能和電源係統等——SiC MOSFET具有無可比擬的優勢。
圖4：SiC MOSFET與矽基功率開關器件的比較
（圖源：安森美）
打造可靠的SiC MOSFET
正是因為SiC MOSFET是廣泛功率開關應用的理想之選，近年來功率半導體廠商也將其作為未來重要的市場支點，進行著持續的投入，打造可供商用的SiC MOSFET器件。其中，安森美 (onsemi)推出的M3S 1200V Si MOSFET就是很優秀的一款。
圖5：基於M3S技術的1200V SiC MOSFET
（圖源：安森美）
除了上文提到的SiC MOSFET器件的固有優勢，M3S 1200V SiC MOSFET還有三個鮮明的特點：
首先，基於M3S技術，該器件實現了22mΩ的導通電阻，具有低Eon和Eoff損耗的特點，據安森美提供的數據，在硬開關應用中其與競品相比功率損耗可減少20%。
其次，由於采用了TO247-4LD封裝，該器件可實現較低共源極電感，這就使得這個SiC MOSFET在係統設計時可以支持更高的壓擺率，在高頻開關操作的同時有效控製開關損耗。
再次，該SiC MOSFET具有很好的驅動兼容性。要知道，SiC MOSFET的漂移層電阻比Si器件低，但其較低的載流子遷移率會導致較高的溝道電阻，因此SiC MOSFET與Si器件相比需要更高的柵源電壓（通常要達到18V至20V），才能進入飽和模式，以獲得盡可能低的導通電阻，並防止意外開關。也就是說，一般來講SiC MOSFET與10V的標準Si MOSFET柵極驅動器，以及15V的IGBT柵極驅動器是不兼容的，往往需要專門的驅動器件。而采用M3S平麵技術的1200V MOSFET既可以與18V專用柵極驅動器搭配實現優異性能，也可與15V IGBT柵極驅動配合使用，並可在柵極處於負柵極電壓驅動和關斷尖峰狀態下可靠工作。
總之，安森美的這款M3S 1200V SiC MOSFET不僅將SiC材料的優勢很大程度地發揮了出來，還在可靠性、易用性等方麵做了優化，有力地加速SiC MOSFET的應用於儲能、太陽能逆變器、新能源汽車等領域。
完善SiC的設計生態
當然，作為一個後來者，SiC想要完成對已經發展了數十年的Si功gong率lv器qi件jian的de替ti代dai，並bing非fei一yi朝chao一yi夕xi之zhi事shi，也ye不bu是shi依yi靠kao幾ji顆ke性xing能neng優you異yi的de器qi件jian就jiu能neng夠gou完wan成cheng的de，而er是shi需xu要yao一yi個ge完wan善shan的de技ji術shu生sheng態tai圈quan來lai支zhi持chi。作zuo為wei功gong率lv半ban導dao體ti領ling域yu的de主zhu力li廠chang商shang，安an森sen美mei深shen諳an此ci道dao，一yi直zhi在zai圍wei繞rao著zheSiC態圈，積極完善產品布局。
一方麵，從圖6可以看出，安森美已經形成了豐富的SiC器件產品組合，覆蓋不同的耐壓等級和不同的封裝類型；包括SiC二極管、SiC MOSFET，以及SiC模塊；SiC模塊中，既包括IGBT + SiC二極管的混合模塊，也包括全SiC模塊——這就可以滿足處於不同階段的不同客戶功率電子產品升級迭代的需要。
圖6：安森美的SiC產品線組合
（圖源：安森美）
另一方麵，除了SiC器件本身，安森美也可提供與SiC器件配套的技術資源，如專為SiC FET打造的高端柵極驅動器IC，以及SPICE物理模型——其可以方便開發者對SiC器件應用電路進行仿真，以簡化設計流程，節省開發成本。所有這些努力都在讓SiC技術的升級迭代進程更順暢，更快捷。
據IHS Markit的分析數據，2020年SiC功率器件市場規模約為6億美元，而到2027年這個數字將達到100億美元。麵對這樣一個高速增長的市場，我們應該如何提前布局，做足準備？從SiC器件產品組合到配套設計生態，應該從哪裏獲得更完善的技術資源，以支持接下來的功率電子技術升級之旅？
如何邁好SiC技術升級的這一步，答案就在下麵，快來看吧——
相關技術資源
M3S 1200V SiC MOSFET，了解詳情>>
安森美寬禁帶SiC技術資源中心，了解詳情>>
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