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完善布局 英飞凌碳化硅产品系列有何不一样?

2020-05-02
作者:王洁
来源:电子技术应用

近年来,以碳化硅SiC)、氮化镓(GaN)等宽禁带化合物为代表的第三代半导体材料备受瞩目,各大半导体厂商纷纷加大布局和投入。作为全球功率器件(Power Device)市场占有率最高的供应商,英飞凌在2017年底推出氮化镓器件,今年二月又推出了8款650V CoolSiC MOSFET器件,进一步扩展其碳化硅产品组合。

碳化硅的优势

根据 HIS 的市场预测,2020 年650V SiC MOSFET 的市场份额接近 5000 万美元,到 2028 年市场份额将会达到 1 亿 6000 万美元,年度复合增长率高达 16%。主要应用是电源、不间断电源(UPS)、电动汽车充电、马达驱动、光伏和储能,其中电源部分占据最大份额。

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传统的硅发展至今,市场规模很大,但市场复合成长率还只是个位数。而650V SiC MOSFET的年复合成长率达16%,这个数字是非常可观并具有吸引力的。“英飞凌在碳化硅的领域有超过10年的积累,SiC二极管已经迭代至第六代,英飞凌开发的碳化硅产品可以提供更多优势。”英飞凌科技电源与传感系统事业部大中华区开关电源应用高级市场经理陈清源介绍。

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陈清源总结了碳化硅器件的几大优势:碳化硅的带隙(band gap)大概是硅材料的3倍,单位面积的阻隔电压大概是7倍,电子迁移率的数值相差不大,热导率大概是3倍,电子漂移速度也大概是2倍。根据这些物理特性的表现,碳化硅可以运行更高的电压,达到更高的效率,使得功率器件满足轻薄短小的要求,同时具备更高的开关频率,从而实现更小的体积。此外,对于设计者和使用者,碳化硅还具有很好的散热性能,使得设计工作变得更加得心应手。

650V CoolSiC MOSFET有何不一样?

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今年2月底,英飞凌推出了8款不同的650V CoolSiC MOSFET产品,其额定值在27 mΩ~107 mΩ之间,采用两种插件TO-247封装,既可采用典型的TO-247 3引脚封装,也支持开关损耗更低的TO-247 4引脚封装。与过去发布的所有CoolSiC MOSFET产品相比,650V系列采用了英飞凌独特的沟槽半导体技术,通过最大限度地发挥碳化硅物理特性,确保了器件具有高可靠性、较少的开关损耗和导通损耗。此外,它们还具备最高的跨导水平(增益)、4V的阈值电压(Vth)和短路稳健性。

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在电源的设计中,除了性能方面,还要考虑可靠度。类似通讯电源这样的目标市场,使用年限通常长达十年以上,服务器与资料中心也大概会是5~10年。因此,除了性能考量之外,坚固和可靠程度也不容忽视。英飞凌针对碳化硅产品的可靠度做了多方面的研讨和优化,使得无论是在使用上还是设计上,都更加方便。

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栅极氧化层在设计上是一个难点,会影响其可靠度。现在的SiC有两种主流制造工艺,分别为平面式和沟槽式。平面式在导通状态下,性能与栅极氧化层可靠性之间需要进行折衷;沟槽式更容易达到性能要求而不偏离栅极氧化层的安全条件。“英飞凌的 CoolSiC MOSFET 采取了沟槽式,我们在沟槽式技术领域有二十年的研发经验,借由沟槽式的设计,我们可以让它的性能发挥到极致。”陈清源表示,“我们认为沟槽式是未来的趋势。”

为了防止“误导通”,英飞凌将VGS重新设计在大于4V上,这可以降低噪音带来的“误导通”。

在一些特殊的拓扑中,例如CCM图腾柱的拓扑,适用于硬换向的体二极管。“图腾柱的应用其实就是桥式拓扑结构,这种结构在低压的电源转换里面很常见,但在高压电源转换中,受限于现在一些器件的反向恢复特性,一般很难在大功率情况下采用图腾柱的结构工作。”陈清源解释道,“而碳化硅材料本身的反向恢复速度特别快,比常见的硅材料反向恢复速度快很多。这种结构最主要的优势就是提高了功率密度以及效率。”

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据介绍,目前采用图腾柱的3kW PFC在220伏的输入条件下,可以轻松做到(满载)98%甚至98.5%以上的效率。

根据电源的应用环境,电源不稳定情况下会超过额定电压650V。650V CoolSiC MOSFET具有抗雪崩能力,可以防止不适当使用造成的器件损坏以及电源工具的损坏。

此外,相对于传统的硅,在设计上也做了一些考量,将VGS电压范围放宽。在0V电压可以关断VGS,不会到负电压。不像氮化镓要做一个负电压,造成整个电路的负担,对设计也造成一些压力。

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将 CoolSiC、CoolGaN 和 CoolMOS 的物理特性进行比较,可以看到在 25℃时,三者的导通电阻取值一样;在 100℃时,CoolSiC的导通电阻 比 CoolGaN 低 26%,比 CoolMOS 低 32%。这表明,在高温状态下,SiC 的效能远比 GaN 和 Si 好,因此特别适合高温应用场景,可以降低设计成本。

Si、SiC和GaN,到底怎么选?

作为市场上唯一一家提供涵盖Si、SiC和GaN的全系列功率产品的公司,英飞凌除了可以提供碳化硅,满足在不同应用场域的不同选择,还会根据实际应用场景,与客户探讨最佳的器件。陈清源认为,三者会一直处于共存的关系,未来并不会出现取代的局面。

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硅器件适用于电压范围在25V低压到中压到1.7kV的应用;碳化硅适合于650V到高压3.3kV的应用,应用范围比较广,如风电、大数据中心的供电等;氮化镓则适合80V~650V电压区间、开关频率较高的应用。

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从性价比方面,硅绝对是首选;而效率最高、功率密度最大,氮化镓更为合适,它的价格可能没有硅有优势,但是效率和功率密度是无可取代的;如果要考虑“易使用性”以及坚固、耐用度,碳化硅是一个很好的选择。

据悉,650V CoolSiC MOSFET 2月刚推出,目前大中华区已经有客户量产了。同时,已经有几个客户陆续的订单,主要应用在较高端的产品中。年底还会陆续推出新产品,2021年会扩展到50个产品以上。

面对碳化硅市场竞争激烈的现状,陈清源表示英飞凌对竞争一直以来都是乐见其成:“英飞凌在碳化硅领域布局了几年,拥有很多专业技术知识和能力积累。这是一个长期的比赛,甚至是超级马拉松。英飞凌有这个优势,同时我们也乐见竞争,有竞争才有进步。”


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