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相對于 Si 材料，SiC 在帶隙、擊穿場強、電子遷移率、熱導(dǎo)率和電子漂移率等參數(shù)上都具優(yōu)勢，在工業(yè)電源、光伏、充電樁、不間斷電源系統(tǒng)，以及能源儲存領(lǐng)域的應(yīng)用快速增長。根據(jù) HIS 的市場預(yù)測，從 2020 年到 2028 年，650V SiC MOSFET 的年度復(fù)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(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

作為功率器件的重要供應(yīng)商，英飛凌已將在 SiC 領(lǐng)域有超過 10 年的技術(shù)積累。近期，英飛凌推出了 650 V CoolSiC? MOSFET 系列產(chǎn)品，該系列產(chǎn)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(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，全新 650V 系列通過最大限度地發(fā)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(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。

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

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(shù)，一個是平面式，一個是溝槽式，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(diào)，“英飛凌的 CoolSiCMOSFET 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，積累了大量專業(yè)技術(shù)，采用溝槽式設(shè)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(shè)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?！?/p>

在數(shù)據(jù)中心應(yīng)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(tǒng)的效率會達到 98%，這也是以前所做不到的。

采用圖騰柱結(jié)構(gòu)，有效提升效率

IGBT 與 CooIMOS 接近，為了防止“誤導(dǎo)通”，英飛凌把 V_GS重新設(shè)計到大于 4V，可以降低噪音導(dǎo)致的“誤導(dǎo)通”，采用了特殊的拓撲，例如 CCM 圖騰柱的拓撲。關(guān)于圖騰柱的應(yīng)用，陳清源解釋，其實就是橋式拓撲結(jié)構(gòu)，在高壓的電源轉(zhuǎn)換里面其實并不是很新的結(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)在一些器件所謂的“反向恢復(fù)特性”。比如，在大功率轉(zhuǎn)換里面常用的超級結(jié)的硅器件，它的“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。

碳化硅材料本身的“反向恢復(fù)速度”特別快，采用圖騰柱結(jié)構(gòu)，如果處于“軟開關(guān)”時，或者由于一些條件導(dǎo)致體二極管會導(dǎo)通電流，又突然再反向，新材料比常見的硅材料反向恢復(fù)速度會快很多。這種情況下，在很多大功率電源轉(zhuǎn)換時，就可以用到以前在超級結(jié)時無法使用的圖騰柱結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)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 Q_rr和 Q_oss兩個重要的參數(shù)，英飛凌的 CoolMOS 系列里有快速二極管，有了 SiC 之后，Q_rr是遠低于 Si 器件的體二極管。如上圖，在 Q_oss的參數(shù)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 R_DS(on)*Q_rr_、R_DS(on)*Q_oss參數(shù)的值都比英飛凌的產(chǎn)品高。由這一例子可以看出，英飛凌的 SiC 在圖騰柱的 PFC 設(shè)計中可以達到很高的效率。

以 48 mΩ、72 mΩ、107 mΩ圖騰柱設(shè)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(diào)，“以硅技術(shù)很難做到。該系列配合英飛凌的驅(qū)動 IC 可以更好地優(yōu)化整體性能，設(shè)計穩(wěn)定性更好?！?/p>

放寬V_GS電壓范圍，增強抗雪崩能力

在電源的應(yīng)用中會存在電源不穩(wěn)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(tǒng)硅，在設(shè)計上面設(shè)計上，英飛凌把 V_GS電壓范圍放寬，在 0V 電壓可以關(guān)斷 V_GS，不會出現(xiàn)負電壓。如果是氮化鎵出現(xiàn)負電壓會造成整個電路的負擔(dān)，在設(shè)計上也出現(xiàn)壓力。我們在 SiC 碳化硅技術(shù)上，兼顧性能、穩(wěn)定和堅固性考量，方便了設(shè)計和使用?！?/p>

如上圖，將 CoolSiC、CoolGaN 和 CoolMOS 的物理特性進行比較，在 25℃時，三者的導(dǎo)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(tài)下，SiC 的效能遠比 GaN 和 Si 好；另外，CoolSiC 還可以降低設(shè)計成本。

對于 SiC 產(chǎn)品，良率低是阻礙其發(fā)展的一大屏障，英飛凌的 SiC 產(chǎn)品良率是否也存在這樣的問題？陳清源強調(diào)，“英飛凌有自己的生產(chǎn)線，目前是 6 寸的工藝，8 寸工藝在規(guī)劃中，我們可以根據(jù)產(chǎn)能的需求調(diào)整，我們的產(chǎn)品良率事實上已經(jīng)掌握到不錯的水平，畢竟我們在溝槽式設(shè)計上已經(jīng)做了 20 年的 CoolSiC?^?MOSFET。”