功率器件巨头怎样去“玩转”SiC市场

按照业界通常的看法,未来5到10年内,SiC功率器件市场增长机会主要在汽车领域,特别是EV、混合动力车、燃料电池车等电动车应用市场。

实际上,在光伏和储能、驱动、充电桩、UPS领域,SiC都将有高速成长的机会。而且,电源领域将是SiC最大的市场。综合起来,这几个市场将会有16%的年复合增长率。

脱颖而出

更高的工作电压、更高的效率、更好的散热性能,都是SiC在电力电子领域的优势。

与传统的Si材料作对比,SiC的带隙(BandGap)是其三倍;击穿场强(MV/cm)上,SiC是2.2,Si为0.3,高出7倍左右;SiC的热导率是4.9,Si是1.5,高出3倍多;电子漂移速度上,SiC也是Si的2倍。

“如果用在电源上,SiC材料就可以带来更好的功率转换能力,更小的产品空间。”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解释道。

开发SiC器件,英飞凌已经有了超过10年的经验。据陈清源介绍,英飞凌的SiC二极管都已经推出到第六代,SiC MOSFET产品也有很多种类。“我们在2月底推出了8个SiC MOSFET产品,采用两种插件TO-247封装,既包括典型的TO-247 3引脚封装,也包括开关损耗更低的TO-247 4引脚封装。”

CoolSiCTM是英飞凌SiC MOFET产品的品牌。为了增加坚固耐用度,英飞凌对SiC MOSFET做了很多优化,如使得其栅极氧化层的可靠度可以与IGBT跟CooIMOS相接近,将VGS重新设计在大于4V,降低噪声导致的误导通概率等。

“在电源应用中,不稳定因素让电压超过额定的650V。而我们这个产品的抗雪崩能力很强,可以防止一些不适当使用造成的器件损坏。”陈清源补充道。

SiC经常拿来与Si和GaN做比较,有一个特性上其表现最好,这就是导热系数。同是100℃的条件,CoolSiC的RDS(ON)要比GaN低26%,比Si MOSFET低32%,这就意味着高温状态下,SiC的效能最好。

据陈清源介绍,SIC器件前端的工艺上,目前有平面式和沟槽式,英飞凌采用了沟槽式。“在同样的可靠度上面,沟槽式的设计会远比平面式拥有更高的性能。”

借由沟槽式设计,可以在Qrr和Qoss等参数上能使用较小的值,所以CoolSiCTM MOSFET非常适合 CCM PFC图腾柱等硬换向拓扑,并能达到很高的效率。

顶级的效率配置

大型数据中心对电源的要求是高效率,即3kW以上的系统效率要超过96%,同时设计要简化,功率密度更高。英飞凌提供的解决方案是,在PFC图腾柱上使用SiC,在LLC上使用CoolMOS七代,使用了SiC的图腾柱PFC的效率可达到99%,配合LLC上97%的效率,可使整体效率轻松达到96%。

“如果客户的要求更高,我们也可以建议客户:全部用碳化硅的解决方案。整个系统的效率会达到98%,这也是以前所做不到的。”陈清源表示。

另外一个例子是最近很热的5G小基站的电源。小基站都在户外,没有风扇,对效率要求也很高。如果采用英飞凌的SiC,同样可以使得效率达到96%,而且可以适应很宽的温度范围。

家用的储能系统,功耗是1~50kW,SiC可以满足其效率高、体积小、外部零件少等要求。同样的,还有UPS电源,SiC也能在能效、可靠性和功率密度方面对其进行提升。

从Si进化到SiC和GaN,是半导体材料的一大进步。不过,SiC和GaN偏重的领域各有不同。

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

GaN的电压会相对比较低一点,为中压80~650V。但是它的开关频率很快,可以到MHz级,Si、SiC的开关频率都只有几百KHz。所以,GaN可以搭配更小尺寸的磁性元件。陈清源指出,如果要考虑到“易使用性”以及坚固、耐用度,SiC是一个很好的选择。

除了SiC MOSFET,英飞凌SiC二极管也进入市场多年。据陈清源介绍,SiC二极管在服务器、资料中心、通信电源这三个部分应用广泛。因为它的功率比较高,Qrr比较低,在低电压的应用相对会少一些,且成本还是比传统的Si二极管高一些。但是随着竞争对手增多,产能的增加,以及良率的改善,其价格这几年来也越来越亲民了。

火热的SiC市场带来了众多的参与者,也让最基础的SiC衬底材料短缺,有些厂商因此出现产能不足的问题。对此,陈清源表示,英飞凌有多达5家的供应商,同最大的生产商美国Cree也签订了长期供货协议,所以不会有任何的供货问题。

重要的一点,“无论是Si、SiC或是GaN,这三者将会长期共存,没有一种取代另一种的说法。”陈清源强调:“这三种器件,我们都会有很好的产品供客户选择。”