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SiC到底有哪些好处以及典型应用?

2020-05-18 赵明灿 阅读:
SiC到底有哪些好处以及典型应用?
650V SiC MOSFET主要应用包括电源供应器、不间断电源、电动汽车充电、电机驱动以及光伏和储能,最大的部分来自电源。那么,与传统的硅产品相比,碳化硅可以达到怎样的功效或获得怎样的好处呢?

近年来,以GaN和SiC为代表的第三代半导体材料,市场表现强劲。在消费电子领域,自小米65W GaN快充发布以来,整个行业被迅速带火。而对于SiC来说,其实它在汽车电子、电机驱动、太阳能等高压专业应用领域,也具有非常好的表现,只是由于和消费者接触不多,而很少为大众所知。TWKednc

例如,根据今年的IHS预估,650V SiC MOSFET今年会有近5000万美元的市场份额。再往后到2028年,其市场份额会达到1.6亿美元。650V SiC MOSFET主要应用包括电源供应器、不间断电源、电动汽车充电、电机驱动以及光伏和储能,最大的部分来自电源。那么,与传统的硅产品相比,碳化硅可以达到怎样的功效或获得怎样的好处呢?TWKednc

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日前,在英飞凌举办的在线媒体交流会上,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说,650V SiC MOSFET市场的年复合增长率(CAGR)达到16%,而传统的硅发展已经很久了,市场也很大,因此它的市场复合成长率可能是个位数。相比之下,SiC的CAGR则相当吸引人,也就是为什么它吸引了很多竞争者进来,一起开发这个市场,英飞凌也是其中一个。TWKednc

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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TWKednc

SiC和传统Si材料的差异

谈到碳化硅,不免要谈它的特性。为什么它属于新材料,它跟传统材料的差异在哪里?TWKednc

如下图所示,从带隙来看,它是硅材料的大概三倍。其单位面积阻隔电压的能力(击穿场强),大概是硅的7倍。它的电子迁移率和硅差不多。其热导率也大概是硅的3倍多。“在整个电源供应器工作时,不可避免地有损耗,就会产生热。可以把较多的热导出来,代表了功率处理的能力比较强。”其电子漂移速度也大概是硅的2倍左右。TWKednc

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对于使用者和设计者而言,碳化硅的好处是,它可以运行在更高的电压;达到更高的效率。因为它各方面的速率比较高,可以让功率器件做到轻薄短小,占比较小的空间,实现更高的开关频率,并使体积降低。这样,电子设计工程师就可以利用它来实现更好的控制方式,设计出更好的电源供应器。TWKednc

另外,他指出,碳化硅的驱动方式跟传统的硅不一样,为了让使用者获得更好的元件,优化设计,英飞凌设计了专门的驱动IC,这样就可以使最终产品达到更好的效果、更高的稳定度。TWKednc

650V CoolSiC MOSFET应用的优势和价值

CoolSiC是英飞凌SiC产品的名字。该公司在今年2月底刚推出了8款产品,分为两种插件TO-247封装:典型的TO-247 3引脚封装,以及支持更低开关损耗的TO-247 4引脚封装。TWKednc

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从静态导通电阻的角度来看,又分为4种,从27mΩ到107mΩ。该产品尚处第一阶段,后续还会陆续推出更多的封装来应用不同的领域。“目标市场包括服务器、数据中心,比如通信电源。无论是4G、5G、大基站、小基站,SiC都是一个可以考虑而且很适合的产品。工业电源、光伏、充电桩、不间断电源系统,以及能源储存等也都是目标市场,而且这几个市场也是往后增长快速的市场。”他介绍说。TWKednc

另外,他指出,整个电源的设计,还要考虑到可靠度。上述目标市场,例如通信电源,使用可能要十年以上,服务器和数据中心也大概是5到10年。“除了性能考虑之外,它的坚固和可靠程度也是不能忽略的,不然会造成以后不可挽回的成本和商誉的损失。英飞凌针对碳化硅产品的可靠度也做了很多的研讨,比如增加坚固耐用度,对栅极氧化层的可靠度做了很多优化。它目前的坚固度已经很成熟了。” 陈清源表示,“IGBT跟CooIMOS接近。为了防止‘误导通’,我们把VGS重新设计在大于4V上,这可以降低一些噪声进来而造成‘误导通’。在一些特殊的拓扑,例如CCM图腾柱的拓扑中,它带有硬换向的体二极管。”TWKednc

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在电源应用环境,可能存在噪声或电源可能因为超过额定电压650V而造成不稳定。CoolSiC产品具有抗雪崩的能力,可以防止一些不适当使用而造成器件的损坏,以及造成电源的损坏,包括抗短路的能力。TWKednc

另外相对于传统的硅,工程师对碳化硅可能没那么熟悉,因此英飞凌在设计上也做了一些考虑,例如和业界的领导厂商合作,把VGS电压范围放宽。在0V电压可以关断VGS,就不会到负电压。而氮化镓要做一个负电压,这就会造成整个电路的负担,在设计也造成一些压力。TWKednc

下面再来看导热系数,SiC比硅和GaN都要好。这三个材料的导热系数都是正温度系数,即温度越高,RDS(on)越高,但它们的变化不一样。在100℃时,碳化硅的RDS(on)比硅少了32%,也比氮化镓少26%。这样,在高温状态下,碳化硅的性能就远比氮化镓和硅好。从另外一个角度来看,也可以降低设计成本。“如果应用场景都是100℃,就可以选择常温下导通电阻比较高的碳化硅元件,这代表了可以用比较低的成本取得开关元件,使整个设计更便宜,但是性能又没有牺牲。这也是它在高温上的一个好处。”他解释说。TWKednc

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栅极氧化层对于设计来说是一个难点,因为它会影响可靠度。目前市场上的碳化硅前端工艺,主要有两个主流:一个是平面式的,一个是沟槽式的。英飞凌采取的是沟槽式,该公司在这方面在CoolMOS上有丰富的经验,可以用沟槽式的设计达到性能的要求,而不会偏离它的可靠度。“以碳化硅MOS为例,可能在同样的可靠度上,碳化硅沟槽式的设计会远比平面式的碳化硅MOS拥有更高的性能。”他补充说。TWKednc

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对于硬换向的拓扑,有 Qrr和Qoss两个重要的参数。英飞凌的CoolMOS系列当中包含有快速二极管。这样做是为了硬换向的拓扑,有了碳化硅之后,它的Qrr是远低于硅器件的体二极管。Qoss这个参数也更低。这样就可以在硬换向的拓扑上达到更高的效率、更好的设计。其它供应商的碳化硅和MOSFET也会涉及到RDS(on)*Qrr、RDS(on)*Qoss这两个参数,但是它们的值都比较高。甚至有些供应商的RDS(on)*Qrr RDS(on)*Qoss是不标的,这就会对工程师在设计上造成很大的困难。TWKednc

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另外,英飞凌的碳化硅在PFC图腾柱设计上可以得到很高的效率。TWKednc

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前面提到英飞凌CoolSiC有四种RDS(on)。用48mΩ的CoolSiC搭配英飞凌S7系列去做图腾柱拓扑设计,它的效率可以在PFC达到 99%。这在以前采用硅技术时很不容易做到。TWKednc

最后,再配合英飞凌的驱动IC,就可以让整个产品的性能得到更大的优化,使设计的稳定度更好。TWKednc

SiC案例介绍

数据中心

据陈清源介绍,大型数据中心的标准功率密度大概是平均每个机架3kW。由于系统厂商都希望效率越高越好,现在系统的效率一般都超过96%。除了系统稳定度,还有散热的费用,效率越高对此就越有帮助。TWKednc

下图是采用英飞凌解决方案的CCM图腾柱PFC+半桥LLC软开关拓扑,图腾柱的部分用的是碳化硅。因为它只要求效率达到96%,所以选用了CoolMOS第七代LLC。如前所述,PFC效率可以达到99%,LLC可以达到97%,整体的效率可以达到96%。至于要求更高效率,也可以PFC和LLC全部采用碳化硅的解决方案。TWKednc

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5G通信小基站

小基站的工作条件恶劣,没有人维护,也没有风扇,所以要求的效率也相当高,其电源的瓦特数建议300W到1300W。TWKednc

PFC还是用图腾柱的设计。LLC 97%,整体效率还是96%。而且它的适用环境、温度范围比较宽,可能在户外,是零下,可能工作温度会上升到甚至100℃。因此,对这个应用来讲,CoolSiC和CoolMOS都是适当的材料。TWKednc

储能系统

储能系统的瓦特数从1kW到50kW。在设计方面,因为要放在家里,它也希望将体积做小,将效率提高。碳化硅也是有机会实现它的要求——效率高、体积小、外部零件少。TWKednc

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不间断电源系统

同样,不间断电源系统也可以广泛地采用碳化硅的器件。TWKednc

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SiSiCGaN的定位

Si、SiC和GaN这三种产品各有各的定位。简单来讲,Si适用的电压范围是25V低压到中压直到1.7kV。硅是这个范围的主流技术,已经使用好几十年了,从功率、从小瓦特数,从移动电源,到充电桩,到光伏,都是目前的主流,而且也是最成熟的。TWKednc

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SiC适用的电压范围比较高,从650V到高压3.3kV,所以它应用的范围比较广,像风电、大数据中心的供电等。TWKednc

GaN的电压会相对低一点,从中压80V到650V。但是它有快速的开关频率,可以到MHz级。而硅和碳化硅的开关频率都在几百kHz等级。这就可以在选择磁性元件时选择更小的尺寸。TWKednc

这三个部分英飞凌都有,分别适用于不同的应用。因此,英飞凌认为,这三者是共存的,不存在取代关系。TWKednc

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总的来说,传统的硅,产品范围是最多的,开发得最久,而且每个产品系列都有,性价比最高。如果需要性价比高,硅绝对是首选。但是如果要求效率最高、功率密度最大,GaN因为开关速度最快而是首选,虽然它的价格没有硅有优势,但是它的效率和功率密度却是无可取代的。如果要求“易使用性”以及坚固耐用度,则由于SiC可以耐高温,也即温度系数变化比较小,因此在这方面就是很好的选择。TWKednc

最后,他透露,英飞凌在SiC方面也会继续投资,虽然现在只有8个产品,但在今年年底和2021年还会有新产品推出,计划扩展到50个产品以上,以满足市场应用的一些需求。例如针对不同的应用场景,可能需要选择不同的封装;为了价格的考虑,应对不同的瓦特数,选择不同的RDS(on)等等。TWKednc

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赵明灿
赵明灿是EDN China的产业分析师/技术编辑。他在电子行业拥有10多年的从业经验。在加入ASPENCORE之前,他曾在电源和智能电表等领域担任过4年的工程师。
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