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未来8年SiC以16%高速增长,英飞凌 CoolSiC MOSFET以技术取胜

http://www.ec.hc360.com2020年04月30日10:49 来源:与非网作者:郭云云 T|T

    相对于Si材料,SiC在带隙、击穿场强、电子迁移率、热导率和电子漂移率等参数上都具优势,在工业电源、光伏、充电桩、不间断电源系统,以及能源储存领域的应用快速增长。根据HIS的市场预测,从2020年到2028年,650VSiCMOSFET的年度复合增长率高达16%,2020年市场份额接近5000万美元,到2028年市场份额将会达到1亿6000万美元。

    

    

    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

    

    作为功率器件的重要供应商,英飞凌已将在SiC领域有超过10年的技术积累。近期,英飞凌推出了650VCoolSiC™MOSFET系列产品,该系列产品的额定值在27mΩ-107mΩ之间,既可采用典型的TO-2473引脚封装,也支持开关损耗更低的TO-2474引脚封装。与过去发布的所有CoolSiC™MOSFET产品相比,全新650V系列通过最  大限度地发挥碳化硅强大的物理特性,确保了器件具有出色的可靠性、出类拔萃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。

    

    在电源市场,功率器件的可靠度是一项重要考核指标,一般应用于通讯电源市场的产品需要满足十年以上适用期限,服务器和资料中心也需要工作5年-10年。英飞凌针对SiC产品的可靠度做了深度优化,增加了栅极氧化层的可靠度。据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,“该系列之所以可以实现更高的可靠性、更好的开关损耗和导通损耗,是因为该系列产品采用了英飞凌先进的沟槽半导体技术,可以在毫不折衷的情况下,在应用中实现最  低的损耗,并在运行中实现最  佳可靠性。”

    

    沟槽式是未来的趋势

    

    

    

    目前在SiC的前端工艺上有两种主流技术,一个是平面式,一个是沟槽式,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。陈清源强调,“英飞凌的CoolSiCMOSFET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,积累了大量专业技术,采用沟槽式设计可以达到更好的性能可靠度。以SiCMOS为例,在同样的可靠度上面,沟槽式SiC设计远比平面式SiCMOS拥有更高的性能,我们认为沟槽式是未来的趋势。”

    

    

    

    在数据中心应用中,如果用户对性能的要求更好,陈清源建议,无论是PFC,还是LLC全部采用我们的碳化硅的解决方案。无论是PFC达到效率值99%,还是LLC达到99%,整个系统的效率会达到98%,这也是以前所做不到的。

    

    采用图腾柱结构,有效提升效率

    

    

    

    IGBT与CooIMOS接近,为了防止“误导通”,英飞凌把VGS重新设计到大于4V,可以降低噪音导致的“误导通”,采用了特殊的拓扑,例如CCM图腾柱的拓扑。关于图腾柱的应用,陈清源解释,其实就是桥式拓扑结构,在高压的电源转换里面其实并不是很新的结构。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所谓的“反向恢复特性”。比如,在大功率转换里面常用的超级结的硅器件,它的“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。

    

    碳化硅材料本身的“反向恢复速度”特别快,采用图腾柱结构,如果处于“软开关”时,或者由于一些条件导致体二极管会导通电流,又突然再反向,新材料比常见的硅材料反向恢复速度会快很多。这种情况下,在很多大功率电源转换时,就可以用到以前在超级结时无法使用的图腾柱结构,这种结构的主要优势就是提高了功率密度以及效率。目前采用图腾柱的3kWPFC在220伏的输入条件下,可以做到(满载)98%以上甚至98.5%以上的效率。

    

    另外对于硬换向的拓扑,有Qrr和Qoss两个重要的参数,英飞凌的CoolMOS系列里有快速二极管,有了SiC之后,Qrr是远低于Si器件的体二极管。如上图,在Qoss的参数也更低。因此,在硬换向的拓扑中可以达到更高的效率。对比其他厂商的SiCMOSFET,其RDS(on)*QrrRDS(on)*Qoss参数的值都比英飞凌的产品高。由这一例子可以看出,英飞凌的SiC在图腾柱的PFC设计中可以达到很高的效率。

    

    以48mΩ、72mΩ、107mΩ图腾柱设计为例,搭配英飞凌CFD7的S7系列。48mΩ时,在PFC上的效率达到99%。陈清源强调,“以硅技术很难做到。该系列配合英飞凌的驱动IC可以更好地优化整体性能,设计稳定性更好。”

    

    放宽VGS电压范围,增强抗雪崩能力

    在电源的应用中会存在电源不稳定因素,可能会超过额定电压650V,造成器件损坏,因此需要功率器件具有抗雪崩能力。陈清源表示,“相对于传统硅,在设计上面设计上,英飞凌把VGS电压范围放宽,在0V电压可以关断VGS,不会出现负电压。如果是氮化镓出现负电压会造成整个电路的负担,在设计上也出现压力。我们在SiC碳化硅技术上,兼顾性能、稳定和坚固性考量,方便了设计和使用。”

    

    

    

    如上图,将CoolSiC、CoolGaN和CoolMOS的物理特性进行比较,在25℃时,三者的导通电阻取值一样;在100℃时,CoolSiC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;另外,CoolSiC还可以降低设计成本。

    

    对于SiC产品,良率低是阻碍其发展的一大屏障,英飞凌的SiC产品良率是否也存在这样的问题?陈清源强调,“英飞凌有自己的生产线,目前是6寸的工艺,8寸工艺在规划中,我们可以根据产能的需求调整,我们的产品良率事实上已经掌握到不错的水平,毕竟我们在沟槽式设计上已经做了20年的CoolSiCMOSFET。”

责任编辑:黄伟雅

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