功率器件巨頭怎樣去“玩轉(zhuǎn)”SiC市場(chǎng)

按照業(yè)界通常的看法,未來5到10年內(nèi),SiC功率器件市場(chǎng)增長(zhǎng)機(jī)會(huì)主要在汽車領(lǐng)域,特別是EV、混合動(dòng)力車、燃料電池車等電動(dòng)車應(yīng)用市場(chǎng)。

實(shí)際上,在光伏和儲(chǔ)能、驅(qū)動(dòng)、充電樁、UPS領(lǐng)域,SiC都將有高速成長(zhǎng)的機(jī)會(huì)。而且,電源領(lǐng)域?qū)⑹荢iC最大的市場(chǎng)。綜合起來,這幾個(gè)市場(chǎng)將會(huì)有16%的年復(fù)合增長(zhǎng)率。

脫穎而出

更高的工作電壓、更高的效率、更好的散熱性能,都是SiC在電力電子領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)。

與傳統(tǒng)的Si材料作對(duì)比,SiC的帶隙(BandGap)是其三倍;擊穿場(chǎng)強(qiáng)(MV/cm)上,SiC是2.2,Si為0.3,高出7倍左右;SiC的熱導(dǎo)率是4.9,Si是1.5,高出3倍多;電子漂移速度上,SiC也是Si的2倍。

“如果用在電源上,SiC材料就可以帶來更好的功率轉(zhuǎn)換能力,更小的產(chǎn)品空間?！庇w凌科技電源與傳感系統(tǒng)事業(yè)部大中華區(qū)開關(guān)電源應(yīng)用高級(jí)市場(chǎng)經(jīng)理陳清源解釋道。

開發(fā)SiC器件,英飛凌已經(jīng)有了超過10年的經(jīng)驗(yàn)。據(jù)陳清源介紹,英飛凌的SiC二極管都已經(jīng)推出到第六代,SiC MOSFET產(chǎn)品也有很多種類。“我們?cè)?月底推出了8個(gè)SiC MOSFET產(chǎn)品,采用兩種插件TO-247封裝,既包括典型的TO-247 3引腳封裝,也包括開關(guān)損耗更低的TO-247 4引腳封裝。”

CoolSiCTM是英飛凌SiC MOFET產(chǎn)品的品牌。為了增加堅(jiān)固耐用度,英飛凌對(duì)SiC MOSFET做了很多優(yōu)化,如使得其柵極氧化層的可靠度可以與IGBT跟CooIMOS相接近,將VGS重新設(shè)計(jì)在大于4V,降低噪聲導(dǎo)致的誤導(dǎo)通概率等。

“在電源應(yīng)用中,不穩(wěn)定因素讓電壓超過額定的650V。而我們這個(gè)產(chǎn)品的抗雪崩能力很強(qiáng),可以防止一些不適當(dāng)使用造成的器件損壞。”陳清源補(bǔ)充道。

SiC經(jīng)常拿來與Si和GaN做比較,有一個(gè)特性上其表現(xiàn)最好,這就是導(dǎo)熱系數(shù)。同是100℃的條件,CoolSiC的RDS(ON)要比GaN低26%,比Si MOSFET低32%,這就意味著高溫狀態(tài)下,SiC的效能最好。

據(jù)陳清源介紹,SIC器件前端的工藝上,目前有平面式和溝槽式,英飛凌采用了溝槽式?！霸谕瑯拥目煽慷壬厦?溝槽式的設(shè)計(jì)會(huì)遠(yuǎn)比平面式擁有更高的性能?！?/p>

借由溝槽式設(shè)計(jì),可以在Qrr和Qoss等參數(shù)上能使用較小的值,所以CoolSiCTM MOSFET非常適合 CCM PFC圖騰柱等硬換向拓?fù)?并能達(dá)到很高的效率。

頂級(jí)的效率配置

大型數(shù)據(jù)中心對(duì)電源的要求是高效率,即3kW以上的系統(tǒng)效率要超過96%,同時(shí)設(shè)計(jì)要簡(jiǎn)化,功率密度更高。英飛凌提供的解決方案是,在PFC圖騰柱上使用SiC,在LLC上使用CoolMOS七代,使用了SiC的圖騰柱PFC的效率可達(dá)到99%,配合LLC上97%的效率,可使整體效率輕松達(dá)到96%。

“如果客戶的要求更高,我們也可以建議客戶:全部用碳化硅的解決方案。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。”陳清源表示。

另外一個(gè)例子是最近很熱的5G小基站的電源。小基站都在戶外,沒有風(fēng)扇,對(duì)效率要求也很高。如果采用英飛凌的SiC,同樣可以使得效率達(dá)到96%,而且可以適應(yīng)很寬的溫度范圍。

家用的儲(chǔ)能系統(tǒng),功耗是1~50kW,SiC可以滿足其效率高、體積小、外部零件少等要求。同樣的,還有UPS電源,SiC也能在能效、可靠性和功率密度方面對(duì)其進(jìn)行提升。

從Si進(jìn)化到SiC和GaN,是半導(dǎo)體材料的一大進(jìn)步。不過,SiC和GaN偏重的領(lǐng)域各有不同。

SiC適用的電壓范圍比較高,從650V到高壓3.3kV,應(yīng)用的范圍比較廣,包括風(fēng)電、大數(shù)據(jù)中心的供電等。

GaN的電壓會(huì)相對(duì)比較低一點(diǎn),為中壓80~650V。但是它的開關(guān)頻率很快,可以到MHz級(jí),Si、SiC的開關(guān)頻率都只有幾百KHz。所以,GaN可以搭配更小尺寸的磁性元件。陳清源指出,如果要考慮到“易使用性”以及堅(jiān)固、耐用度,SiC是一個(gè)很好的選擇。

除了SiC MOSFET,英飛凌SiC二極管也進(jìn)入市場(chǎng)多年。據(jù)陳清源介紹,SiC二極管在服務(wù)器、資料中心、通信電源這三個(gè)部分應(yīng)用廣泛。因?yàn)樗墓β时容^高,Qrr比較低,在低電壓的應(yīng)用相對(duì)會(huì)少一些,且成本還是比傳統(tǒng)的Si二極管高一些。但是隨著競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手增多,產(chǎn)能的增加,以及良率的改善,其價(jià)格這幾年來也越來越親民了。

火熱的SiC市場(chǎng)帶來了眾多的參與者,也讓最基礎(chǔ)的SiC襯底材料短缺,有些廠商因此出現(xiàn)產(chǎn)能不足的問題。對(duì)此,陳清源表示,英飛凌有多達(dá)5家的供應(yīng)商,同最大的生產(chǎn)商美國(guó)Cree也簽訂了長(zhǎng)期供貨協(xié)議,所以不會(huì)有任何的供貨問題。

重要的一點(diǎn),“無論是Si、SiC或是GaN,這三者將會(huì)長(zhǎng)期共存,沒有一種取代另一種的說法?！标惽逶磸?qiáng)調(diào):“這三種器件,我們都會(huì)有很好的產(chǎn)品供客戶選擇?！?/p>