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(dǎo)體材料備受矚目，各大半導(dǎo)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(yīng)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(jìn)一步擴(kuò)展其碳化硅產(chǎn)品組合。
碳化硅的優(yōu)勢
根據(jù) HIS 的市場預(yù)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(dá)到 1 億 6000 萬美元，年度復(fù)合增長率高達(dá) 16%。主要應(yīng)用是電源、不間斷電源（UPS）、電動汽車充電、馬達(dá)驅(qū)動、光伏和儲能，其中電源部分占據(jù)最大份額。
傳統(tǒng)的硅發(fā)展至今，市場規(guī)模很大，但市場復(fù)合成長率還只是個位數(shù)。而650V SiC MOSFET的年復(fù)合成長率達(dá)16%，這個數(shù)字是非?？捎^并具有吸引力的。“英飛凌在碳化硅的領(lǐng)域有超過10年的積累，SiC二極管已經(jīng)迭代至第六代，英飛凌開發(fā)的碳化硅產(chǎn)品可以提供更多優(yōu)勢?！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)用高級市場經(jīng)理陳清源介紹。
陳清源總結(jié)了碳化硅器件的幾大優(yōu)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(shù)值相差不大，熱導(dǎo)率大概是3倍，電子漂移速度也大概是2倍。根據(jù)這些物理特性的表現(xiàn)，碳化硅可以運(yùn)行更高的電壓，達(dá)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(guān)頻率，從而實(shí)現(xiàn)更小的體積。此外，對于設(shè)計(jì)者和使用者，碳化硅還具有很好的散熱性能，使得設(shè)計(jì)工作變得更加得心應(yīng)手。
650V CoolSiC MOSFET有何不一樣？
今年2月底，英飛凌推出了8款不同的650V CoolSiC MOSFET產(chǎn)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(guān)損耗更低的TO-247 4引腳封裝。與過去發(fā)布的所有CoolSiC MOSFET產(chǎn)品相比，650V系列采用了英飛凌獨(dú)特的溝槽半導(dǎo)體技術(shù)，通過最大限度地發(fā)揮碳化硅物理特性，確保了器件具有高可靠性、較少的開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗。此外，它們還具備最高的跨導(dǎo)水平（增益）、4V的閾值電壓（Vth）和短路穩(wěn)健性。
在電源的設(shè)計(jì)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(biāo)市場，使用年限通常長達(dá)十年以上，服務(wù)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(jiān)固和可靠程度也不容忽視。英飛凌針對碳化硅產(chǎn)品的可靠度做了多方面的研討和優(yōu)化，使得無論是在使用上還是設(shè)計(jì)上，都更加方便。
柵極氧化層在設(shè)計(jì)上是一個難點(diǎn)，會影響其可靠度?，F(xiàn)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(dǎo)通狀態(tài)下，性能與柵極氧化層可靠性之間需要進(jìn)行折衷；溝槽式更容易達(dá)到性能要求而不偏離柵極氧化層的安全條件。“英飛凌的 CoolSiC MOSFET 采取了溝槽式，我們在溝槽式技術(shù)領(lǐng)域有二十年的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，借由溝槽式的設(shè)計(jì)，我們可以讓它的性能發(fā)揮到極致?！标惽逶幢硎荆拔覀冋J(rèn)為溝槽式是未來的趨勢?！?/p>
為了防止“誤導(dǎo)通”，英飛凌將VGS重新設(shè)計(jì)在大于4V上，這可以降低噪音帶來的“誤導(dǎo)通”。
在一些特殊的拓?fù)渲?，例如CCM圖騰柱的拓?fù)洌m用于硬換向的體二極管?！皥D騰柱的應(yīng)用其實(shí)就是橋式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)在低壓的電源轉(zhuǎn)換里面很常見，但在高壓電源轉(zhuǎn)換中，受限于現(xiàn)在一些器件的反向恢復(fù)特性，一般很難在大功率情況下采用圖騰柱的結(jié)構(gòu)工作。”陳清源解釋道，“而碳化硅材料本身的反向恢復(fù)速度特別快，比常見的硅材料反向恢復(fù)速度快很多。這種結(jié)構(gòu)最主要的優(yōu)勢就是提高了功率密度以及效率?！?/p>
據(jù)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(jù)電源的應(yīng)用環(huán)境，電源不穩(wěn)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(dāng)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(tǒng)的硅，在設(shè)計(jì)上也做了一些考量，將VGS電壓范圍放寬。在0V電壓可以關(guān)斷VGS，不會到負(fù)電壓。不像氮化鎵要做一個負(fù)電壓，造成整個電路的負(fù)擔(dān)，對設(shè)計(jì)也造成一些壓力。
將 CoolSiC、CoolGaN 和 CoolMOS 的物理特性進(jìn)行比較，可以看到在 25℃時，三者的導(dǎo)通電阻取值一樣；在 100℃時，CoolSiC的導(dǎo)通電阻 比 CoolGaN 低 26%，比 CoolMOS 低 32%。這表明，在高溫狀態(tài)下，SiC 的效能遠(yuǎn)比 GaN 和 Si 好，因此特別適合高溫應(yīng)用場景，可以降低設(shè)計(jì)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(chǎn)品的公司，英飛凌除了可以提供碳化硅，滿足在不同應(yīng)用場域的不同選擇，還會根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場景，與客戶探討最佳的器件。陳清源認(rèn)為，三者會一直處于共存的關(guān)系，未來并不會出現(xiàn)取代的局面。
硅器件適用于電壓范圍在25V低壓到中壓到1.7kV的應(yīng)用；碳化硅適合于650V到高壓3.3kV的應(yīng)用，應(yīng)用范圍比較廣，如風(fēng)電、大數(shù)據(jù)中心的供電等；氮化鎵則適合80V~650V電壓區(qū)間、開關(guān)頻率較高的應(yīng)用。
從性價(jià)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(jià)格可能沒有硅有優(yōu)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(jiān)固、耐用度，碳化硅是一個很好的選擇。
據(jù)悉，650V CoolSiC MOSFET 2月剛推出，目前大中華區(qū)已經(jīng)有客戶量產(chǎn)了。同時，已經(jīng)有幾個客戶陸續(xù)的訂單，主要應(yīng)用在較高端的產(chǎn)品中。年底還會陸續(xù)推出新產(chǎn)品，2021年會擴(kuò)展到50個產(chǎn)品以上。
面對碳化硅市場競爭激烈的現(xiàn)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(lǐng)域布局了幾年，擁有很多專業(yè)技術(shù)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(yōu)勢，同時我們也樂見競爭，有競爭才有進(jìn)步。”