【導讀】在功率電子領域
，要論如今炙手可熱的器件，SiC要說是第二，就沒有人敢說第一了。隨著原有的Si基功率半導體器件逐漸接近其物理極限，由第三代SiC功率器件接棒來衝刺更高的性能，已經是大勢所趨。

與傳統的Si材料相比
，SiC具有更寬的禁帶，以及更高的擊穿電場、熱導率和工作溫度，這決定了基於SiC的功率器件性能優勢明顯。具體來講：

●  SiC的禁帶是Si的3倍，可轉化為高10倍的擊穿電場
，因此有利於實現更高電壓（如1,200V或更高）的功率器件。

●  較高的擊穿電場令SiC器件具有更薄的漂移層或更高的摻雜濃度，因此SiC器件與具有相同擊穿電壓的Si器件相比，具有更低的電阻

，功耗更低。

●  SiC的熱導率是矽的3倍，這意味著功率損耗產生的熱量更容易傳導出去
，以實現更佳的散熱特性。

●  由於具有較高的熔點，理論上SiC器件的工作溫度可達200°C以上，對外部冷卻的需求顯著降低，有利於降低冷卻係統的成本。

●  基於SiC設計的單極器件（如高壓MOSFET），理論上不產生尾電流，因此相較於Si IGBT
，SiC MOSFET具(ju)有(you)更(geng)低(di)的(de)開(kai)關(guan)損(sun)耗(hao)和(he)更(geng)高(gao)性(xing)能(neng)的(de)體(ti)二(er)極(ji)管(guan)，可(ke)實(shi)現(xian)更(geng)高(gao)的(de)開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)。開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)的(de)提(ti)高(gao)，意(yi)味(wei)著(zhe)係(xi)統(tong)設(she)計(ji)時(shi)可(ke)以(yi)選(xuan)用(yong)更(geng)小(xiao)的(de)外(wai)圍(wei)元(yuan)件(jian)，可(ke)以(yi)讓(rang)係(xi)統(tong)尺(chi)寸(cun)更(geng)為(wei)緊(jin)湊(cou)。

●  SiC器件的芯片麵積更小，產生的柵極電荷和電容也更小，這些特性使其在實現更高的開關速度同時，可以降低開關損耗。

總之，采用SiC功率器件可以讓功率電子係統實現更高電壓、更低功耗
、更高效率
、更小尺寸……除了成本較高外
，完全碾壓Si功率器件應該是毫無懸念。

電動汽車拉動SiC市場成長

不過，也正是成本高、產能低、配套技術生態欠完善等因素，在相當長的一段時間裏製約了SiC器件在商業領域的滲透速度。這種狀況一直持續到了2018年。

這一年
，電動汽車領域發生的一件事
，極大地改變了SiC半導體的市場走向——特斯拉宣布，在Model 3的主驅逆變器上采用了650V SiC MOSFET，使得逆變器效率提升了5%-8%，進而讓電動車的續航顯著提升。從此，一石激起千層浪，電動汽車領域的玩家紛紛跟進，掀起了SiC器件市場的一陣熱潮。

眾所周知，汽車電氣化的進程勢不可擋。根據IHS Markit的預測，2025年全球將有45%的汽車生產實現電氣化

，全年將銷售約4,600萬輛電動汽車；而到2030年
，這兩個數字將上升到57%和6,200萬輛。

而且，在電動汽車中
，除了主驅逆變器外
，車載充電機 (OBC)、電源轉換係統 (DC/DC) 以及充電樁等功率電子設備都將為SiC器件提供巨大的應用空間。更為重要的是
，隨著對更大功率、更高電壓、高效電源轉換小型化設計的需求，SiC器件在很多應用中都將成為不二之選。伴隨著電動汽車市場的成長，SiC的需求也將呈現出更為陡峭的上行趨勢。

圖1：汽車電氣化拉動SiC需求的增長（圖源：安森美）

當然，與Si器件相比，單顆SiC器件及其功率電子係統解決方案價格仍然較高。但也有人測算過，電動汽車逆變器使用SiC解決方案後, 可以讓整車功耗減少5%-10%，雖然由此會增加逆變器模組的成本
，但可以有效降低電池、散熱、空間占用等成本
，綜合計算下來可使整車成本節省約2,000美元左右。這樣的結論，顯然是SiC半導體市場的強心劑。

每一個行業“風口”都會吸引更多的玩家進入，SiC半導體市場也不例外。不過鑒於汽車行業的特殊性，這個領域的“金主”往往對於元器件供應商的選擇更為苛刻，隻有SiC領域頭部的元器件廠商才有機會進入他們的法眼。

在SiC的頭部玩家中
，安森美(onsemi)是表現頗為亮眼的一家。隻要簡單地搜索新聞我們就會發現，僅在2023年公開宣布采用安森美 EliteSiC係列SiC產品或開展長期深度合作的車企和電動汽車領域的技術供應商
，就包括現代汽車、起亞集團、大眾汽車、極氪智能科技(ZEEKR)、Kempower、緯湃科技 (Vitesco)、博格華納 (BorgWarner) 等。之所以會得到行業的厚愛，與安森美背後堅實的實力支撐不無關係。

直擊市場痛點的產品

想要躋身一個領域頭部玩家的俱樂部
，首當其衝的當然是要有能夠滿足市場需求的過硬產品。

以yi電dian動dong汽qi車che來lai講jiang，提ti升sheng續xu航hang裏li程cheng和he縮suo短duan充chong電dian時shi間jian是shi當dang下xia的de主zhu要yao痛tong點dian，也ye是shi決jue定ding消xiao費fei者zhe購gou買mai決jue策ce的de關guan鍵jian。而er想xiang要yao解jie決jue這zhe個ge痛tong點dian，提ti升sheng電dian動dong汽qi車che電dian池chi組zu的de電dian壓ya
，從cong目mu前qian的de400V平台遷移到800V平台是至關重要的一步。此舉的好處有兩點：一方麵，在充電模式下，較高的電池電壓會降低電池充電所需的電流
，並且縮短充電時間；另一方麵
，在車輛行駛時
，較高的電壓可以在保持功率水平不變的情況下
，增加電機功率輸出或提高係統效率。

而實現800V的架構，需要車輛中其他的功率電子係統都進行相應的升級。具體到OBC，在設計升級時有兩個因素十分關鍵：電壓和開關頻率，而這正好都是SiC器件的強項。

安森美推出的1200V EliteSiC M3S MOSFET就是800V OBC及相關應用的理想選擇。

圖2：1200V EliteSiC M3S MOSFET（圖源：安森美）

先從電壓上來看。係統架構采用更高的電壓，自然要求功率器件具有更高的阻斷電壓能力。想要滿足800V電池平台的要求，Si功率器件顯然是難於勝任的，650V等千伏以下的SiC也不適用
，而1200V的EliteSiC M3S MOSFET則正好可堪重任
，支持更高功率OBC的設計。

此外
，1200V EliteSiC M3S MOSFET與前代M1係列產品相比，還有一個重要的優化，就是在開關性能上。這些MOSFET導通電阻極低（包括 13 / 22 / 30 / 40 / 70mΩ）
，以符合車規的NVH4L022N120M3S為例
，其在1200V時的導通電阻RDS(ON)低至22mΩ。根據安森美提供的測試數據，這款器件需要的總柵極電荷QG(TOT)相比上一代的M1 MOSFET更少，這大大降低了柵極驅動器的灌電流和拉電流。在默認VGS(OP) = +18V的情況下，M3S的電荷僅為135nC
，與M1相比
，RDS(ON)*QG(TOT)中的FOM（品質因數）減小了44%，這就意味著在導通電阻RDS(ON)相同的情況下
，M3S MOSFET隻需要其他器件56%的開關柵極電荷。

與M1相比
，M3S在其寄生電容COSS中存儲的能量EOSS更少，因此在更輕的負載下具有更高的效率。如圖3所示，M3S的開關性能大幅改善——EOFF相比M1降低了40%
，EON降低了20-30%，總開關損耗降低了34%。在高開關頻率應用中，這將消除導通電阻RDS(ON)溫度係數較高的缺點。

圖3：M3S MOSFET電感開關損耗（圖源：安森美）

支持更高的電壓
，有助於實現更高的功率，讓充電更快，還可以減少整車所需的電流，從而降低電源係統
、電池和OBC之間的電纜成本

；開關頻率的提升
，有助於係統設計人員使用更小的電感器、變壓器和電容器等儲能元件，從而縮小係統體積，實現更緊湊的尺寸
，為車輛中其他組件提供更多的空間——1200V EliteSiC M3S MOSFET的這兩點優勢
，剛好命中了電動汽車客戶的需求痛點，這顯然是讓他們“下單”很具有說服力的理由

，當然也是安森美能夠在SiC競爭中獲得先發優勢的一大主要原因。

完整的SiC產品布局

值得注意的是
，像1200V M3S MOSFET這樣能夠直擊市場痛點的產品，在安森美的EliteSiC係列產品中還有很多，豐富的產品組合是為廣泛功率電子應用提供SiC整體解決方案的關鍵，也是安森美深厚技術積澱的體現。

從產品類別上看，目前安森美 EliteSiC係列包括SiC二極管、SiC MOSFET

、SiC模塊和Si/SiC混合模塊四個子類
，這意味著客戶無論是希望激進地研發全SiC的產品
，還是選擇一種穩妥的漸進式升級路徑，都可以在EliteSiC產品組合中找到相應的解決方案。

而從各個子類中
，更是能看出安森美 SiC產品的豐富和多樣性。比如在SiC MOSFET類別，安森美的產品就包括650V
、900V
、1200V和1700V電壓級別，而且陸續研發出了三代產品，每一代產品都根據特定市場應用的需求進行了迭代優化。

M1係列

安森美的初代SiC MOSFET，主推1200V器件，適用於工業和汽車應用，支持20kHz範圍內工作的係統，著重在低導通損耗和穩定可靠性方麵進行了優化。

M2係列

主要包括650V和900V器件，覆蓋千伏以下較低電壓的應用，並提供了針對這些電壓級別而優化的新型單元結構。

M3係列

1200V器件，特別針對快速開關應用進行了優化。上文提到的M3S MOSFET就是M3係列下的一個子係列。

表1：EliteSiC MOSFET各個係列特性（資料來源：安森美）

隨著市場的發展，EliteSiC MOSFET的產品組合還在不斷豐富和延展。比如在2023年初推出的1700V EliteSiC MOSFET (NTH4L028N170M1）
，就是麵向可再生能源領域而設計的產品——由此可見，雖然當下電動汽車市場SiC的行情如火如荼，但是安森美也沒有放鬆在其他應用領域的產品布局。

可再生能源應用正不斷向更高的電壓發展，其中太陽能係統直流母線正從1100V向1500V演進。為了支持這一技術變革，就需要具有更高擊穿電壓 (BV) 的MOSFET提供支持。安森美的1700V EliteSiC MOSFET顯然就是為此而打造的，其Vgs範圍為-15V/25V，適用於柵極電壓提高到-10V的快速開關應用

，且具有更高的係統可靠性。在1200V
、40A的測試條件下，1700V EliteSiC MOSFET的柵極電荷(Qg) 僅為200nC，這一特性對於在更快開關速度、更高功率的可再生能源應用中實現高能效至關重要。

圖4：1700V EliteSiC MOSFET（圖源：安森美）

顯然，不斷擴大EliteSiC係列產品的深度和廣度，是安森美的SiC戰(zhan)略(lve)中(zhong)很(hen)重(zhong)要(yao)的(de)一(yi)部(bu)分(fen)。這(zhe)種(zhong)全(quan)麵(mian)的(de)布(bu)局(ju)，使(shi)得(de)安(an)森(sen)美(mei)有(you)能(neng)力(li)響(xiang)應(ying)客(ke)戶(hu)的(de)各(ge)種(zhong)設(she)計(ji)需(xu)求(qiu)
，同(tong)時(shi)也(ye)不(bu)會(hui)錯(cuo)失(shi)現(xian)在(zai)和(he)未(wei)來(lai)任(ren)何(he)一(yi)個(ge)市(shi)場(chang)風(feng)口(kou)。

垂直整合的SiC產業鏈

隨著SiC市場的大熱，在未來一段時間，下遊廠商都難免受到SiC器件產能吃緊這一瓶頸的困擾。為此，很多係統廠商都會采用和SiC器件供應商簽署長期供貨協議這種深度綁定的方式，來規避相應的供應鏈風險。這時
，對SiC半導體廠商產能和質量穩健性的要求就顯得尤為重要了。

安森美對此的應對舉措就是，對整個SiC產業鏈進行垂直整合，將影響產能和產品品質的要素緊緊掌握在自己的手中！

通過一係列的收購和整合工作，目前安森美已經實現了SiC器件生產製造能力的垂直整合，是目前世界上為數不多能夠提供從襯底製備到模塊製造端到端SiC方案的供應商，涵蓋SiC材料生長、襯底
、外延
、器件製造、模塊集成和分立封裝等在內的整個製造流程。此舉無疑為安森美的SiC供應鏈帶來了易於擴展、成本優化的優勢。

圖5：安森美i的垂直整合SiC製造能力（圖源：安森美）

而且在整個製造流程中，安森美實施了全麵的可靠性和質量測試，以避免產品出現缺陷。安森美的所有SiC產品都在100%額定電壓和175°C下經驗證合格；還具有100%雪崩額定值
，具有固有的柵極氧化物可靠性，並經過宇宙輻射測試
；同時還會對SiC外延生長前後進行缺陷掃描。

除了上述對製造能力的垂直整合，安森美也在著力打造更完善的SiC器件應用開發生態，包括專家支持、設計工具

、仿真工具
，以及詳盡的技術文檔等
，以響應客戶設計和開發各個階段的需求。

其中的安森美新發布的Elite Power仿真工具就是一個亮點。這款仿真工具能夠準確呈現出采用EliteSiC係列產品包括EliteSiC邊界情形的電路運行情況

，幫助電力電子工程師加快設計的上市速度。

圖6：Elite Power 仿真工具配以 PLECS

，助力開發者快速設計出整合EliteSiC產品的電源應用（圖源：安森美）

安森美的這些努力無疑會讓公司圍繞SiC構建的技術支持體係更為完善

，從宏觀的角度上看，也是在彌補整個SiC產業鏈上的缺環，以做大整個SiC的市場蛋糕。

本文小結

根據Yole的預測，從2021到2027年，全球SiC功率器件市場規模將從10.90億美元增長到62.97億美元
，其中車規級SiC器件市場將從2021年的6.85億美元增長至2027年的49.86億美元，年複合增長率高達39.2%。

要想成為這個高速增長的新興半導體市場的頭部玩家
，瞄準市場熱點的創新產品、全麵的產品布局和垂直整合的綜合能力，這三要素缺一不可。安森美就是圍繞著這三個方麵不斷深耕，構建起了自己在SiC這個“新世界”的版圖。想要走入其中，一探究竟，就隨我們來吧！

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