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完善布局 英飛凌碳化硅產品系列有何不一樣?

2020-05-02
作者:王潔
來源:電子技術應用

近年來,以碳化硅SiC)、氮化鎵(GaN)等寬禁帶化合物為代表的第三代半導體材料備受矚目,各大半導體廠商紛紛加大布局和投入。作為全球功率器件(Power Device)市場占有率最高的供應商,英飛凌在2017年底推出氮化鎵器件,今年二月又推出了8款650V CoolSiC MOSFET器件,進一步擴展其碳化硅產品組合。

碳化硅的優勢

根據 HIS 的市場預測,2020 年650V SiC MOSFET 的市場份額接近 5000 萬美元,到 2028 年市場份額將會達到 1 億 6000 萬美元,年度復合增長率高達 16%。主要應用是電源、不間斷電源(UPS)、電動汽車充電、馬達驅動、光伏和儲能,其中電源部分占據最大份額。

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傳統的硅發展至今,市場規模很大,但市場復合成長率還只是個位數。而650V SiC MOSFET的年復合成長率達16%,這個數字是非??捎^并具有吸引力的?!坝w凌在碳化硅的領域有超過10年的積累,SiC二極管已經迭代至第六代,英飛凌開發的碳化硅產品可以提供更多優勢?!庇w凌科技電源與傳感系統事業部大中華區開關電源應用高級市場經理陳清源介紹。

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陳清源總結了碳化硅器件的幾大優勢:碳化硅的帶隙(band gap)大概是硅材料的3倍,單位面積的阻隔電壓大概是7倍,電子遷移率的數值相差不大,熱導率大概是3倍,電子漂移速度也大概是2倍。根據這些物理特性的表現,碳化硅可以運行更高的電壓,達到更高的效率,使得功率器件滿足輕薄短小的要求,同時具備更高的開關頻率,從而實現更小的體積。此外,對于設計者和使用者,碳化硅還具有很好的散熱性能,使得設計工作變得更加得心應手。

650V CoolSiC MOSFET有何不一樣?

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今年2月底,英飛凌推出了8款不同的650V CoolSiC MOSFET產品,其額定值在27 mΩ~107 mΩ之間,采用兩種插件TO-247封裝,既可采用典型的TO-247 3引腳封裝,也支持開關損耗更低的TO-247 4引腳封裝。與過去發布的所有CoolSiC MOSFET產品相比,650V系列采用了英飛凌獨特的溝槽半導體技術,通過最大限度地發揮碳化硅物理特性,確保了器件具有高可靠性、較少的開關損耗和導通損耗。此外,它們還具備最高的跨導水平(增益)、4V的閾值電壓(Vth)和短路穩健性。

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在電源的設計中,除了性能方面,還要考慮可靠度。類似通訊電源這樣的目標市場,使用年限通常長達十年以上,服務器與資料中心也大概會是5~10年。因此,除了性能考量之外,堅固和可靠程度也不容忽視。英飛凌針對碳化硅產品的可靠度做了多方面的研討和優化,使得無論是在使用上還是設計上,都更加方便。

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柵極氧化層在設計上是一個難點,會影響其可靠度?,F在的SiC有兩種主流制造工藝,分別為平面式和溝槽式。平面式在導通狀態下,性能與柵極氧化層可靠性之間需要進行折衷;溝槽式更容易達到性能要求而不偏離柵極氧化層的安全條件?!坝w凌的 CoolSiC MOSFET 采取了溝槽式,我們在溝槽式技術領域有二十年的研發經驗,借由溝槽式的設計,我們可以讓它的性能發揮到極致?!标惽逶幢硎?,“我們認為溝槽式是未來的趨勢?!?/p>

為了防止“誤導通”,英飛凌將VGS重新設計在大于4V上,這可以降低噪音帶來的“誤導通”。

在一些特殊的拓撲中,例如CCM圖騰柱的拓撲,適用于硬換向的體二極管?!皥D騰柱的應用其實就是橋式拓撲結構,這種結構在低壓的電源轉換里面很常見,但在高壓電源轉換中,受限于現在一些器件的反向恢復特性,一般很難在大功率情況下采用圖騰柱的結構工作?!标惽逶唇忉尩?,“而碳化硅材料本身的反向恢復速度特別快,比常見的硅材料反向恢復速度快很多。這種結構最主要的優勢就是提高了功率密度以及效率?!?/p>

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據介紹,目前采用圖騰柱的3kW PFC在220伏的輸入條件下,可以輕松做到(滿載)98%甚至98.5%以上的效率。

根據電源的應用環境,電源不穩定情況下會超過額定電壓650V。650V CoolSiC MOSFET具有抗雪崩能力,可以防止不適當使用造成的器件損壞以及電源工具的損壞。

此外,相對于傳統的硅,在設計上也做了一些考量,將VGS電壓范圍放寬。在0V電壓可以關斷VGS,不會到負電壓。不像氮化鎵要做一個負電壓,造成整個電路的負擔,對設計也造成一些壓力。

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將 CoolSiC、CoolGaN 和 CoolMOS 的物理特性進行比較,可以看到在 25℃時,三者的導通電阻取值一樣;在 100℃時,CoolSiC的導通電阻 比 CoolGaN 低 26%,比 CoolMOS 低 32%。這表明,在高溫狀態下,SiC 的效能遠比 GaN 和 Si 好,因此特別適合高溫應用場景,可以降低設計成本。

Si、SiC和GaN,到底怎么選?

作為市場上唯一一家提供涵蓋Si、SiC和GaN的全系列功率產品的公司,英飛凌除了可以提供碳化硅,滿足在不同應用場域的不同選擇,還會根據實際應用場景,與客戶探討最佳的器件。陳清源認為,三者會一直處于共存的關系,未來并不會出現取代的局面。

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硅器件適用于電壓范圍在25V低壓到中壓到1.7kV的應用;碳化硅適合于650V到高壓3.3kV的應用,應用范圍比較廣,如風電、大數據中心的供電等;氮化鎵則適合80V~650V電壓區間、開關頻率較高的應用。

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從性價比方面,硅絕對是首選;而效率最高、功率密度最大,氮化鎵更為合適,它的價格可能沒有硅有優勢,但是效率和功率密度是無可取代的;如果要考慮“易使用性”以及堅固、耐用度,碳化硅是一個很好的選擇。

據悉,650V CoolSiC MOSFET 2月剛推出,目前大中華區已經有客戶量產了。同時,已經有幾個客戶陸續的訂單,主要應用在較高端的產品中。年底還會陸續推出新產品,2021年會擴展到50個產品以上。

面對碳化硅市場競爭激烈的現狀,陳清源表示英飛凌對競爭一直以來都是樂見其成:“英飛凌在碳化硅領域布局了幾年,擁有很多專業技術知識和能力積累。這是一個長期的比賽,甚至是超級馬拉松。英飛凌有這個優勢,同時我們也樂見競爭,有競爭才有進步?!?/p>


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