【導(dǎo)讀】如果說在2020年，GaN（氮化鎵）憑借著向手機(jī)快充市場(chǎng)的滲透火了一把，成為當(dāng)年寬禁帶（WBG）半導(dǎo)體界的“網(wǎng)紅”，到了2021年，市場(chǎng)的焦點(diǎn)則轉(zhuǎn)到了另一個(gè)寬禁帶半導(dǎo)體“新寵”SiC（碳化硅）身上，這是因?yàn)閺奶厮估@種新能源汽車的新銳公司到傳統(tǒng)的老牌車企，都不約而同地宣布了將純電動(dòng)汽車電驅(qū)系統(tǒng)從硅基逆變器升級(jí)為SiC逆變器的計(jì)劃，并由此引發(fā)了全球范圍內(nèi)的SiC器件“搶芯大戰(zhàn)”。
眾所周知，在功率電子領(lǐng)域，Si器件的性能已經(jīng)越發(fā)接近理論極限，后繼能夠?yàn)橛脩籼峁┑摹凹t利”也越來越有限，因此盡快讓寬禁帶半導(dǎo)體材料接棒，推動(dòng)功率電子器件來一次“質(zhì)”的迭代升級(jí)，已經(jīng)是整個(gè)行業(yè)的大勢(shì)所趨。
圖1：Si、SiC和GaN材料特性比較
（圖源：安森美）
從圖1中可以看出，作為寬禁帶半導(dǎo)體材料家族中的一員，SiC的禁帶寬度高達(dá)3.26 eV，是Si材料（1.12 eV）的3倍，這意味著將SiC材料電子從價(jià)帶移動(dòng)到導(dǎo)帶所需的能量約為Si材料的3倍，因此用SiC制成的器件可以承受更高的擊穿電壓，其介電擊穿場(chǎng)強(qiáng)是Si的10倍。而更高的擊穿場(chǎng)強(qiáng)，有利于降低在相同額定電壓下器件的“厚度”，從而降低器件的導(dǎo)通電阻，并提高其電流承載能力——以上這些特性，正是很多功率電子器件夢(mèng)寐以求的。
同時(shí)，SiC的電子飽和速度比Si材料高2倍，這個(gè)數(shù)值越高，功率器件的開關(guān)速度可以做得越快，這就使得高壓下的高頻操作所需的驅(qū)動(dòng)功率更小，相應(yīng)的能量損耗也更低。而且從系統(tǒng)的角度來看，高頻開關(guān)電路允許使用更小型化的外圍器件，使得整個(gè)功率電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)更為緊湊，這可謂是一石二鳥。
再有，SiC的熱導(dǎo)率是Si的3倍，在給定的功耗下，較高的導(dǎo)熱率意味著較低的溫升，這使得SiC器件具有更佳的熱性能表現(xiàn)，可以支持更高的功率密度。與其他材料相比，SiC可以實(shí)現(xiàn)600°C的結(jié)溫，因此采用鍵合和封裝技術(shù)，在商用的SiC器件中確保支持150°C至200°C的高工作溫度顯然是游刃有余。
圖2：SiC技術(shù)在功率電子應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)
（圖源：安森美）
正是因?yàn)榫哂猩鲜鲞@些特性優(yōu)勢(shì)，SiC成為了助力功率電子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更高功率密度、更高開關(guān)速度、更低功率損耗、更高工作溫度、更小系統(tǒng)尺寸和成本的理想“人選”。
盡管目前由于制造工藝的特殊性，提升SiC器件的良率和產(chǎn)能仍是一個(gè)不小的挑戰(zhàn)，SiC器件的成本也比較高，但是從系統(tǒng)的角度來看，在替代Si器件之后，由于可以實(shí)現(xiàn)更小的封裝尺寸和成本、提高系統(tǒng)的整體能效，因此綜合成本評(píng)估下來仍然是很劃算的。比如在電動(dòng)汽車電驅(qū)逆變器方面有人測(cè)算過，使用SiC功率器件后可以讓整車功耗減少5%-10%，雖然逆變器模組的成本會(huì)增加，但是綜合來講電池成本、散熱成本，以及空間使用成本都會(huì)顯著降低，因而整車成本可以節(jié)省約2,000美元。這就不難理解為什么新能源汽車圈會(huì)對(duì)SiC投入如此大的熱情了。
理想的功率開關(guān)器件
功率電子系統(tǒng)的目的，就是對(duì)高電壓、大電流的高功率能量進(jìn)行高效的控制和傳輸。因此在人們的心目中，一款理想的功率電子開關(guān)器件應(yīng)該滿足三個(gè)要求：足夠高的耐壓、盡可能低的導(dǎo)通電阻，以及更高的開關(guān)速度。
為此，人們利用Si材料打造出了兩款功率開關(guān)器件：MOSFET和IGBT。這兩種器件各具特點(diǎn)，不過受制于Si材料特性，他們距離“理想”功率開關(guān)器件的目標(biāo)還有距離。
具體來講，硅基MOSFET的優(yōu)點(diǎn)是開關(guān)速度較高（可達(dá)到數(shù)百kHz），但是導(dǎo)通電阻較大，恢復(fù)損耗也比較大。而且受制于Si材料的特性，其耐壓一般局限在1,000V以內(nèi)，因此在高壓、高功率的應(yīng)用中難于勝任。
而與MOSFET相比，IGBT可以實(shí)現(xiàn)更高的耐壓，導(dǎo)通電阻也較低，因此在高功率應(yīng)用方面更具優(yōu)勢(shì)；但是由于有少數(shù)載流子積聚效應(yīng)，導(dǎo)致IGBT反向恢復(fù)較慢，使其在高速開關(guān)應(yīng)用時(shí)受限。
因此，硅基MOSFET通常是低電壓、高頻率開關(guān)應(yīng)用的首選，而IGBT則更適合于更高電壓、更高電流、低頻率的應(yīng)用。而與上述的Si器件相比較，SiC MOSFET卻可以集高耐壓、高頻率、低功耗等諸多優(yōu)點(diǎn)于一身，再加上出眾的高溫工作特性，可以說是一款從性能上近乎“理想”的功率開關(guān)器件。
圖3：不同功率開關(guān)器件適合的應(yīng)用區(qū)間
（圖源：安森美）
圖4對(duì)1,200V耐壓下的三種不同類型的功率開關(guān)器件進(jìn)行了比較，可以直觀地看到，SiC MOSFET器件的導(dǎo)通電阻僅為SiMOSFET (SiC )的1/100、Si IGBT的1/3至1/5，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)更低的開關(guān)損耗。因此長(zhǎng)期來看，在650V至1,700V，特別是1,200V及以上的功率電子領(lǐng)域——如新能源汽車、太陽能和電源系統(tǒng)等——SiC MOSFET具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)。
圖4：SiC MOSFET與硅基功率開關(guān)器件的比較
（圖源：安森美）
打造可靠的SiC MOSFET
正是因?yàn)镾iC MOSFET是廣泛功率開關(guān)應(yīng)用的理想之選，近年來功率半導(dǎo)體廠商也將其作為未來重要的市場(chǎng)支點(diǎn)，進(jìn)行著持續(xù)的投入，打造可供商用的SiC MOSFET器件。其中，安森美 (onsemi)推出的M3S 1200V Si MOSFET就是很優(yōu)秀的一款。
圖5：基于M3S技術(shù)的1200V SiC MOSFET
（圖源：安森美）
除了上文提到的SiC MOSFET器件的固有優(yōu)勢(shì)，M3S 1200V SiC MOSFET還有三個(gè)鮮明的特點(diǎn)：
首先，基于M3S技術(shù)，該器件實(shí)現(xiàn)了22mΩ的導(dǎo)通電阻，具有低Eon和Eoff損耗的特點(diǎn)，據(jù)安森美提供的數(shù)據(jù)，在硬開關(guān)應(yīng)用中其與競(jìng)品相比功率損耗可減少20%。
其次，由于采用了TO247-4LD封裝，該器件可實(shí)現(xiàn)較低共源極電感，這就使得這個(gè)SiC MOSFET在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)可以支持更高的壓擺率，在高頻開關(guān)操作的同時(shí)有效控制開關(guān)損耗。
再次，該SiC MOSFET具有很好的驅(qū)動(dòng)兼容性。要知道，SiC MOSFET的漂移層電阻比Si器件低，但其較低的載流子遷移率會(huì)導(dǎo)致較高的溝道電阻，因此SiC MOSFET與Si器件相比需要更高的柵源電壓（通常要達(dá)到18V至20V），才能進(jìn)入飽和模式，以獲得盡可能低的導(dǎo)通電阻，并防止意外開關(guān)。也就是說，一般來講SiC MOSFET與10V的標(biāo)準(zhǔn)Si MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)器，以及15V的IGBT柵極驅(qū)動(dòng)器是不兼容的，往往需要專門的驅(qū)動(dòng)器件。而采用M3S平面技術(shù)的1200V MOSFET既可以與18V專用柵極驅(qū)動(dòng)器搭配實(shí)現(xiàn)優(yōu)異性能，也可與15V IGBT柵極驅(qū)動(dòng)配合使用，并可在柵極處于負(fù)柵極電壓驅(qū)動(dòng)和關(guān)斷尖峰狀態(tài)下可靠工作。
總之，安森美的這款M3S 1200V SiC MOSFET不僅將SiC材料的優(yōu)勢(shì)很大程度地發(fā)揮了出來，還在可靠性、易用性等方面做了優(yōu)化，有力地加速SiC MOSFET的應(yīng)用于儲(chǔ)能、太陽能逆變器、新能源汽車等領(lǐng)域。
完善SiC的設(shè)計(jì)生態(tài)
當(dāng)然，作為一個(gè)后來者，SiC想要完成對(duì)已經(jīng)發(fā)展了數(shù)十年的Si功率器件的替代，并非一朝一夕之事，也不是依靠幾顆性能優(yōu)異的器件就能夠完成的，而是需要一個(gè)完善的技術(shù)生態(tài)圈來支持。作為功率半導(dǎo)體領(lǐng)域的主力廠商，安森美深諳此道，一直在圍繞著SiC態(tài)圈，積極完善產(chǎn)品布局。
一方面，從圖6可以看出，安森美已經(jīng)形成了豐富的SiC器件產(chǎn)品組合，覆蓋不同的耐壓等級(jí)和不同的封裝類型；包括SiC二極管、SiC MOSFET，以及SiC模塊；SiC模塊中，既包括IGBT + SiC二極管的混合模塊，也包括全SiC模塊——這就可以滿足處于不同階段的不同客戶功率電子產(chǎn)品升級(jí)迭代的需要。
圖6：安森美的SiC產(chǎn)品線組合
（圖源：安森美）
另一方面，除了SiC器件本身，安森美也可提供與SiC器件配套的技術(shù)資源，如專為SiC FET打造的高端柵極驅(qū)動(dòng)器IC，以及SPICE物理模型——其可以方便開發(fā)者對(duì)SiC器件應(yīng)用電路進(jìn)行仿真，以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)流程，節(jié)省開發(fā)成本。所有這些努力都在讓SiC技術(shù)的升級(jí)迭代進(jìn)程更順暢，更快捷。
據(jù)IHS Markit的分析數(shù)據(jù)，2020年SiC功率器件市場(chǎng)規(guī)模約為6億美元，而到2027年這個(gè)數(shù)字將達(dá)到100億美元。面對(duì)這樣一個(gè)高速增長(zhǎng)的市場(chǎng)，我們應(yīng)該如何提前布局，做足準(zhǔn)備？從SiC器件產(chǎn)品組合到配套設(shè)計(jì)生態(tài)，應(yīng)該從哪里獲得更完善的技術(shù)資源，以支持接下來的功率電子技術(shù)升級(jí)之旅？
如何邁好SiC技術(shù)升級(jí)的這一步，答案就在下面，快來看吧——
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