近年來(lái)，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(chǎng)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(shì)

根據(jù) HIS 的市場(chǎng)預(yù)測(cè)，2020 年650V SiC MOSFET 的市場(chǎng)份額接近 5000 萬(wàn)美元，到 2028 年市場(chǎng)份額將會(huì)達(dá)到 1 億 6000 萬(wàn)美元，年度復(fù)合增長(zhǎng)率高達(dá) 16%。主要應(yīng)用是電源、不間斷電源（UPS）、電動(dòng)汽車(chē)充電、馬達(dá)驅(qū)動(dòng)、光伏和儲(chǔ)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(chǎng)規(guī)模很大，但市場(chǎng)復(fù)合成長(zhǎng)率還只是個(gè)位數(shù)。而650V SiC MOSFET的年復(fù)合成長(zhǎng)率達(dá)16%，這個(gè)數(shù)字是非常可觀并具有吸引力的。“英飛凌在碳化硅的領(lǐng)域有超過(guò)10年的積累，SiC二極管已經(jīng)迭代至第六代，英飛凌開(kāi)發(fā)的碳化硅產(chǎn)品可以提供更多優(yōu)勢(shì)?！庇w凌科技電源與傳感系統(tǒng)事業(yè)部大中華區(qū)開(kāi)關(guān)電源應(yīng)用高級(jí)市場(chǎng)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(shì)：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(shí)具備更高的開(kāi)關(guān)頻率，從而實(shí)現(xiàn)更小的體積。此外，對(duì)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(kāi)關(guān)損耗更低的TO-247 4引腳封裝。與過(guò)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(guò)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(kāi)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(lèi)似通訊電源這樣的目標(biāo)市場(chǎng)，使用年限通常長(zhǎng)達(dá)十年以上，服務(wù)器與資料中心也大概會(huì)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(duì)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(wú)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(gè)難點(diǎn)，會(huì)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?！坝w凌的 CoolSiC MOSFET 采取了溝槽式，我們?cè)跍喜凼郊夹g(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(lái)的趨勢(shì)?！?/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(lái)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。“圖騰柱的應(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(jiàn)，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?！标惽逶唇忉尩?，“而碳化硅材料本身的反向恢復(fù)速度特別快，比常見(jiàn)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(shì)就是提高了功率密度以及效率。”

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(huì)超過(guò)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(duì)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(huì)到負(fù)電壓。不像氮化鎵要做一個(gè)負(fù)電壓，造成整個(gè)電路的負(fù)擔(dān)，對(duì)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(shí)，三者的導(dǎo)通電阻取值一樣；在 100℃時(shí)，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(chǎng)景，可以降低設(shè)計(jì)成本。

Si、SiC和GaN，到底怎么選？

作為市場(chǎng)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(chǎng)域的不同選擇，還會(huì)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，與客戶探討最佳的器件。陳清源認(rèn)為，三者會(huì)一直處于共存的關(guān)系，未來(lái)并不會(huì)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(kāi)關(guān)頻率較高的應(yīng)用。

從性價(jià)比方面，硅絕對(duì)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(méi)有硅有優(yōu)勢(shì)，但是效率和功率密度是無(wú)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(gè)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(shí)，已經(jīng)有幾個(gè)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(huì)陸續(xù)推出新產(chǎn)品，2021年會(huì)擴(kuò)展到50個(gè)產(chǎn)品以上。

面對(duì)碳化硅市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈的現(xiàn)狀，陳清源表示英飛凌對(duì)競(jìng)爭(zhēng)一直以來(lái)都是樂(lè)見(jiàn)其成：“英飛凌在碳化硅領(lǐng)域布局了幾年，擁有很多專(zhuān)業(yè)技術(shù)知識(shí)和能力積累。這是一個(gè)長(zhǎng)期的比賽，甚至是超級(jí)馬拉松。英飛凌有這個(gè)優(yōu)勢(shì)，同時(shí)我們也樂(lè)見(jiàn)競(jìng)爭(zhēng)，有競(jìng)爭(zhēng)才有進(jìn)步?！?/p>