相對于 Si 材料,SiC 在帶隙、擊穿場強、電子遷移率、熱導率和電子漂移率等參數上都具優勢,在工業電源、光伏、充電樁、不間斷電源系統,以及能源儲存領域的應用快速增長。根據 HIS 的市場預測,從 2020 年到 2028 年,650V SiC MOSFET 的年度復合增長率高達 16%,2020 年市場份額接近 5000 萬美元,到 2028 年市場份額將會達到 1 億 6000 萬美元。

 

英飛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

 

作為功率器件的重要供應商,英飛凌已將在 SiC 領域有超過 10 年的技術積累。近期,英飛凌推出了 650 V CoolSiC™ MOSFET 系列產品,該系列產品的額定值在 27 mΩ-107 mΩ之間,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,全新 650V 系列通過最大限度地發揮碳化硅強大的物理特性,確保了器件具有出色的可靠性、出類拔萃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。

 

在電源市場,功率器件的可靠度是一項重要考核指標,一般應用于通訊電源市場的產品需要滿足十年以上適用期限,服務器和資料中心也需要工作 5 年 -10 年。英飛凌針對 SiC 產品的可靠度做了深度優化,增加了柵極氧化層的可靠度。據英飛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,“該系列之所以可以實現更高的可靠性、更好的開關損耗和導通損耗,是因為該系列產品采用了英飛凌先進的溝槽半導體技術,可以在毫不折衷的情況下,在應用中實現最低的損耗,并在運行中實現最佳可靠性。”

 

溝槽式是未來的趨勢

 

 

目前在 SiC 的前端工藝上有兩種主流技術,一個是平面式,一個是溝槽式,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。陳清源強調,“英飛凌的 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,積累了大量專業技術,采用溝槽式設計可以達到更好的性能可靠度。以 SiC MOS 為例,在同樣的可靠度上面,溝槽式 SiC 設計遠比平面式 SiC MOS 擁有更高的性能,我們認為溝槽式是未來的趨勢。”

 

 

在數據中心應用中,如果用戶對性能的要求更好,陳清源建議,無論是 PFC,還是 LLC 全部采用我們的碳化硅的解決方案。無論是 PFC 達到效率值 99%,還是 LLC 達到 99%,整個系統的效率會達到 98%,這也是以前所做不到的。

 

采用圖騰柱結構,有效提升效率

 

 

IGBT 與 CooIMOS 接近,為了防止“誤導通”,英飛凌把 VGS重新設計到大于 4V,可以降低噪音導致的“誤導通”,采用了特殊的拓撲,例如 CCM 圖騰柱的拓撲。關于圖騰柱的應用,陳清源解釋,其實就是橋式拓撲結構,在高壓的電源轉換里面其實并不是很新的結構。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所謂的“反向恢復特性”。比如,在大功率轉換里面常用的超級結的硅器件,它的“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。

 

碳化硅材料本身的“反向恢復速度”特別快,采用圖騰柱結構,如果處于“軟開關”時,或者由于一些條件導致體二極管會導通電流,又突然再反向,新材料比常見的硅材料反向恢復速度會快很多。這種情況下,在很多大功率電源轉換時,就可以用到以前在超級結時無法使用的圖騰柱結構,這種結構的主要優勢就是提高了功率密度以及效率。目前采用圖騰柱的 3kW PFC 在 220 伏的輸入條件下,可以做到(滿載)98%以上甚至 98.5%以上的效率。

 

另外對于硬換向的拓撲,有 Qrr和 Qoss兩個重要的參數,英飛凌的 CoolMOS 系列里有快速二極管,有了 SiC 之后,Qrr是遠低于 Si 器件的體二極管。如上圖,在 Qoss的參數也更低。因此,在硬換向的拓撲中可以達到更高的效率。對比其他廠商的 SiC MOSFET,其 RDS(on)*Qrr、 RDS(on)*Qoss參數的值都比英飛凌的產品高。由這一例子可以看出,英飛凌的 SiC 在圖騰柱的 PFC 設計中可以達到很高的效率。

 

以 48 mΩ、72 mΩ、107 mΩ圖騰柱設計為例,搭配英飛凌 CFD7 的 S7 系列。48 mΩ時,在 PFC 上的效率達到 99%。陳清源強調,“以硅技術很難做到。該系列配合英飛凌的驅動 IC 可以更好地優化整體性能,設計穩定性更好。”

 

放寬VGS電壓范圍,增強抗雪崩能力

在電源的應用中會存在電源不穩定因素,可能會超過額定電壓 650V,造成器件損壞,因此需要功率器件具有抗雪崩能力。陳清源表示,“相對于傳統硅,在設計上面設計上,英飛凌把 VGS電壓范圍放寬,在 0V 電壓可以關斷 VGS,不會出現負電壓。如果是氮化鎵出現負電壓會造成整個電路的負擔,在設計上也出現壓力。我們在 SiC 碳化硅技術上,兼顧性能、穩定和堅固性考量,方便了設計和使用。”

 

 

如上圖,將 CoolSiC、CoolGaN 和 CoolMOS 的物理特性進行比較,在 25℃時,三者的導通電阻取值一樣;在 100℃時,CoolSiC 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;另外,CoolSiC 還可以降低設計成本。

 

對于 SiC 產品,良率低是阻礙其發展的一大屏障,英飛凌的 SiC 產品良率是否也存在這樣的問題? 陳清源強調,“英飛凌有自己的生產線,目前是 6 寸的工藝,8 寸工藝在規劃中,我們可以根據產能的需求調整,我們的產品良率事實上已經掌握到不錯的水平,畢竟我們在溝槽式設計上已經做了 20 年的 CoolSiC  MOSFET。”