【導(dǎo)讀】如果說(shuō)在2020年,GaN(氮化鎵)憑借著向手機(jī)快充市場(chǎng)的滲透火了一把,成為當(dāng)年寬禁帶(WBG)半導(dǎo)體界的“網(wǎng)紅”,到了2021年,市場(chǎng)的焦點(diǎn)則轉(zhuǎn)到了另一個(gè)寬禁帶半導(dǎo)體“新寵”SiC(碳化硅)身上,這是因?yàn)閺奶厮估@種新能源汽車的新銳公司到傳統(tǒng)的老牌車企,都不約而同地宣布了將純電動(dòng)汽車電驅(qū)系統(tǒng)從硅基逆變器升級(jí)為SiC逆變器的計(jì)劃,并由此引發(fā)了全球范圍內(nèi)的SiC器件“搶芯大戰(zhàn)”。
眾所周知,在功率電子領(lǐng)域,Si器件的性能已經(jīng)越發(fā)接近理論極限,后繼能夠?yàn)橛脩籼峁┑摹凹t利”也越來(lái)越有限,因此盡快讓寬禁帶半導(dǎo)體材料接棒,推動(dòng)功率電子器件來(lái)一次“質(zhì)”的迭代升級(jí),已經(jīng)是整個(gè)行業(yè)的大勢(shì)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(dǎo)體材料家族中的一員,SiC的禁帶寬度高達(dá)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(jià)帶移動(dòng)到導(dǎo)帶所需的能量約為Si材料的3倍,因此用SiC制成的器件可以承受更高的擊穿電壓,其介電擊穿場(chǎng)強(qiáng)是Si的10倍。而更高的擊穿場(chǎng)強(qiáng),有利于降低在相同額定電壓下器件的“厚度”,從而降低器件的導(dǎo)通電阻,并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(mèng)寐以求的。
同時(shí),SiC的電子飽和速度比Si材料高2倍,這個(gè)數(shù)值越高,功率器件的開關(guān)速度可以做得越快,這就使得高壓下的高頻操作所需的驅(qū)動(dòng)功率更小,相應(yīng)的能量損耗也更低。而且從系統(tǒng)的角度來(lái)看,高頻開關(guān)電路允許使用更小型化的外圍器件,使得整個(gè)功率電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)更為緊湊,這可謂是一石二鳥。
再有,SiC的熱導(dǎo)率是Si的3倍,在給定的功耗下,較高的導(dǎo)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(xiàn),可以支持更高的功率密度。與其他材料相比,SiC可以實(shí)現(xiàn)600°C的結(jié)溫,因此采用鍵合和封裝技術(shù),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游刃有余。
圖2:SiC技術(shù)在功率電子應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)
(圖源:安森美)
正是因?yàn)榫哂猩鲜鲞@些特性優(yōu)勢(shì),SiC成為了助力功率電子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更高功率密度、更高開關(guān)速度、更低功率損耗、更高工作溫度、更小系統(tǒng)尺寸和成本的理想“人選”。
盡管目前由于制造工藝的特殊性,提升SiC器件的良率和產(chǎn)能仍是一個(gè)不小的挑戰(zhàn),SiC器件的成本也比較高,但是從系統(tǒng)的角度來(lái)看,在替代Si器件之后,由于可以實(shí)現(xiàn)更小的封裝尺寸和成本、提高系統(tǒng)的整體能效,因此綜合成本評(píng)估下來(lái)仍然是很劃算的。比如在電動(dòng)汽車電驅(qū)逆變器方面有人測(cè)算過,使用SiC功率器件后可以讓整車功耗減少5%-10%,雖然逆變器模組的成本會(huì)增加,但是綜合來(lái)講電池成本、散熱成本,以及空間使用成本都會(huì)顯著降低,因而整車成本可以節(jié)省約2,000美元。這就不難理解為什么新能源汽車圈會(huì)對(duì)SiC投入如此大的熱情了。
理想的功率開關(guān)器件
功率電子系統(tǒng)的目的,就是對(duì)高電壓、大電流的高功率能量進(jìn)行高效的控制和傳輸。因此在人們的心目中,一款理想的功率電子開關(guān)器件應(yīng)該滿足三個(gè)要求:足夠高的耐壓、盡可能低的導(dǎo)通電阻,以及更高的開關(guān)速度。
為此,人們利用Si材料打造出了兩款功率開關(guān)器件:MOSFET和IGBT。這兩種器件各具特點(diǎn),不過受制于Si材料特性,他們距離“理想”功率開關(guān)器件的目標(biāo)還有距離。
具體來(lái)講,硅基MOSFET的優(yōu)點(diǎn)是開關(guān)速度較高(可達(dá)到數(shù)百kHz),但是導(dǎo)通電阻較大,恢復(fù)損耗也比較大。而且受制于Si材料的特性,其耐壓一般局限在1,000V以內(nèi),因此在高壓、高功率的應(yīng)用中難于勝任。
而與MOSFET相比,IGBT可以實(shí)現(xiàn)更高的耐壓,導(dǎo)通電阻也較低,因此在高功率應(yīng)用方面更具優(yōu)勢(shì);但是由于有少數(shù)載流子積聚效應(yīng),導(dǎo)致IGBT反向恢復(fù)較慢,使其在高速開關(guān)應(yīng)用時(shí)受限。
因此,硅基MOSFET通常是低電壓、高頻率開關(guān)應(yīng)用的首選,而IGBT則更適合于更高電壓、更高電流、低頻率的應(yīng)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(yōu)點(diǎn)于一身,再加上出眾的高溫工作特性,可以說(shuō)是一款從性能上近乎“理想”的功率開關(guān)器件。
圖3:不同功率開關(guān)器件適合的應(yīng)用區(qū)間
(圖源:安森美)
圖4對(duì)1,200V耐壓下的三種不同類型的功率開關(guān)器件進(jìn)行了比較,可以直觀地看到,SiC MOSFET器件的導(dǎo)通電阻僅為SiMOSFET (SiC )的1/100、Si IGBT的1/3至1/5,同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)更低的開關(guān)損耗。因此長(zhǎng)期來(lái)看,在650V至1,700V,特別是1,200V及以上的功率電子領(lǐng)域——如新能源汽車、太陽(yáng)能和電源系統(tǒng)等——SiC MOSFET具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。
圖4:SiC MOSFET與硅基功率開關(guān)器件的比較
(圖源:安森美)
打造可靠的SiC MOSFET
正是因?yàn)镾iC MOSFET是廣泛功率開關(guān)應(yīng)用的理想之選,近年來(lái)功率半導(dǎo)體廠商也將其作為未來(lái)重要的市場(chǎng)支點(diǎn),進(jìn)行著持續(xù)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(yōu)秀的一款。
圖5:基于M3S技術(shù)的1200V SiC MOSFET
(圖源:安森美)
除了上文提到的SiC MOSFET器件的固有優(yōu)勢(shì),M3S 1200V SiC MOSFET還有三個(gè)鮮明的特點(diǎn):
首先,基于M3S技術(shù),該器件實(shí)現(xiàn)了22mΩ的導(dǎo)通電阻,具有低Eon和Eoff損耗的特點(diǎn),據(jù)安森美提供的數(shù)據(jù),在硬開關(guān)應(yīng)用中其與競(jìng)品相比功率損耗可減少20%。
其次,由于采用了TO247-4LD封裝,該器件可實(shí)現(xiàn)較低共源極電感,這就使得這個(gè)SiC MOSFET在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)可以支持更高的壓擺率,在高頻開關(guān)操作的同時(shí)有效控制開關(guān)損耗。
再次,該SiC MOSFET具有很好的驅(qū)動(dòng)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(huì)導(dǎo)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(dá)到18V至20V),才能進(jìn)入飽和模式,以獲得盡可能低的導(dǎo)通電阻,并防止意外開關(guān)。也就是說(shuō),一般來(lái)講SiC MOSFET與10V的標(biāo)準(zhǔn)Si MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)器,以及15V的IGBT柵極驅(qū)動(dòng)器是不兼容的,往往需要專門的驅(qū)動(dòng)器件。而采用M3S平面技術(shù)的1200V MOSFET既可以與18V專用柵極驅(qū)動(dòng)器搭配實(shí)現(xiàn)優(yōu)異性能,也可與15V IGBT柵極驅(qū)動(dòng)配合使用,并可在柵極處于負(fù)柵極電壓驅(qū)動(dòng)和關(guān)斷尖峰狀態(tài)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(yōu)勢(shì)很大程度地發(fā)揮了出來(lái),還在可靠性、易用性等方面做了優(yōu)化,有力地加速SiC MOSFET的應(yīng)用于儲(chǔ)能、太陽(yáng)能逆變器、新能源汽車等領(lǐng)域。
完善SiC的設(shè)計(jì)生態(tài)
當(dāng)然,作為一個(gè)后來(lái)者,SiC想要完成對(duì)已經(jīng)發(fā)展了數(shù)十年的Si功率器件的替代,并非一朝一夕之事,也不是依靠幾顆性能優(yōu)異的器件就能夠完成的,而是需要一個(gè)完善的技術(shù)生態(tài)圈來(lái)支持。作為功率半導(dǎo)體領(lǐng)域的主力廠商,安森美深諳此道,一直在圍繞著SiC態(tài)圈,積極完善產(chǎn)品布局。
一方面,從圖6可以看出,安森美已經(jīng)形成了豐富的SiC器件產(chǎn)品組合,覆蓋不同的耐壓等級(jí)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——這就可以滿足處于不同階段的不同客戶功率電子產(chǎn)品升級(jí)迭代的需要。
圖6:安森美的SiC產(chǎn)品線組合
(圖源:安森美)
另一方面,除了SiC器件本身,安森美也可提供與SiC器件配套的技術(shù)資源,如專為SiC FET打造的高端柵極驅(qū)動(dòng)器IC,以及SPICE物理模型——其可以方便開發(fā)者對(duì)SiC器件應(yīng)用電路進(jìn)行仿真,以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)流程,節(jié)省開發(fā)成本。所有這些努力都在讓SiC技術(shù)的升級(jí)迭代進(jìn)程更順暢,更快捷。
據(jù)IHS Markit的分析數(shù)據(jù),2020年SiC功率器件市場(chǎng)規(guī)模約為6億美元,而到2027年這個(gè)數(shù)字將達(dá)到100億美元。面對(duì)這樣一個(gè)高速增長(zhǎng)的市場(chǎng),我們應(yīng)該如何提前布局,做足準(zhǔn)備?從SiC器件產(chǎn)品組合到配套設(shè)計(jì)生態(tài),應(yīng)該從哪里獲得更完善的技術(shù)資源,以支持接下來(lái)的功率電子技術(shù)升級(jí)之旅?
如何邁好SiC技術(shù)升級(jí)的這一步,答案就在下面,快來(lái)看吧——
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