SiC（碳化硅）為人們熟知還要感謝電動汽車率先打響了搭載的第一槍,，特別是特斯拉,，據(jù)說其平均每2輛電動車就需要一片6英寸SiC晶圓,；SiC器件市占率高達(dá)6成的科銳（Cree）產(chǎn)能幾乎被它包了一半。
市場調(diào)研公司Yole Développement在《電動出行之功率電子2021》中指出：“在市場增長和設(shè)計機(jī)會方面,，SiC已成為最具活力的技術(shù)之一,。SiC正在滲透到汽車應(yīng)用的新賽道?！盰ole預(yù)計,，這一市場在2023年之前仍可保持44％的增長速度。
電動汽車為什么熱衷SiC,？
本世紀(jì)初,，SiC器件開始商業(yè)應(yīng)用，20年里,，已經(jīng)從高端市場的專利演變?yōu)榇蟊娛袌鰬?yīng)用,。隨著越來越多公司對SiC器件感興趣并持續(xù)投資，其發(fā)展勢頭與日俱增,。作為硅的“年輕競爭者”,，2020年SiC市場價值已超過6億美元。
Yole功率電子技術(shù)與市場分析師Ana Villamor認(rèn)為：“電動汽車基本上有三種轉(zhuǎn)換器：主逆變器,、DC－DC和OBC,。由于功率水平較高,，主逆變器是最大的市場,，其功率半導(dǎo)體含量最高?！?/p>
在功率半導(dǎo)體市場,，預(yù)計2026年SiC模塊價值將比2020年翻一番。事實上,，目前SiC模塊成本仍是650V IGBT模塊的3倍,，但生產(chǎn)規(guī)模較大時，這種差異將會縮小,，過渡到8英寸晶圓以及1200V器件的滲透,，將有助于使用更高的電池電壓,，進(jìn)一步提升效率。
正如Yole的團(tuán)隊在報告中所分析的那樣,，EV／HEV供應(yīng)鏈繼續(xù)受到需求和技術(shù)趨勢增長的影響,。為電動汽車提供領(lǐng)先半導(dǎo)體的制造商，如英飛凌科技,、三菱電機(jī),、意法半導(dǎo)體、羅姆,、日立,、東芝、安森美,、UnitedSiC,、CISSOID等眾多企業(yè)都推出了與汽車相關(guān)的最新SiC產(chǎn)品，正在為Tier 1,、主機(jī)廠提供SiC功率模塊,，也包括分立器件。
這只是一個縮影
勢頭迅猛的電動出行對SiC的拉動只是一個縮影,。清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系教授趙爭鳴認(rèn)為：“人們之所以非常熱衷于SiC,，是因為它具有電力電子應(yīng)用期待的三高特性：高頻、高溫,、高壓,。但理論與現(xiàn)實差距還是有的，特別是當(dāng)你真正使用這種器件時,?！?/p>
他指出，功率器件就是一個開關(guān),，利用開關(guān)頻率對電力進(jìn)行采樣,，得到所需的波形，雖然頻率越高越好,，但高頻會增加損耗,。在高頻應(yīng)用方面，因為SiC器件大幅降低了損耗,，頻率才能提上去,，給電力電子設(shè)備帶來極大的好處。
有了SiC器件,，就可以實現(xiàn)高頻,，大幅提升設(shè)備特性。正是由于這一特征，SiC最早是二極管,，后來是SiC MOSFET,，中間曾經(jīng)有J－FET過渡產(chǎn)品，現(xiàn)在基本都是MOSFET,，進(jìn)一步發(fā)展將是IGBT,。做成器件后，其顯著特點是大電流,、小通態(tài)電阻,，為大電壓、大功率應(yīng)用帶來了很大好處,。
趙爭鳴教授還表示,，電力電子器件和微電子器件的最大區(qū)別是弱電控制強(qiáng)電?？刂频墓β试酱?，器件水平越高。其另一個特點是高電壓,，擊穿場強(qiáng)可以高十倍,，從而把耐壓提上去。從原來80mΩ到16mΩ,，差不多是5倍,，1200V就可以通過650A電流；10kV可以做成SiC MOSFET,，15kV可以做成SiC IGBT,，22kV可以做成SiC BJT。
這么高功率的器件原來只能用晶閘管來做,，IGBT做不到,。SiC的初期一般是低電壓、大電流,，或者小電流,、高電壓，現(xiàn)在同時實現(xiàn)了高電壓和大電流,，如3．3kV,，750A及10kV，240A SiC MOSFET,，覆蓋的電壓和電流等級越來越大,，并且還在發(fā)展中,，所以今后大功率SiC將是主流,，值得期待。
應(yīng)用方面，由于SiC器件電壓和電流越來越大,，從UPS電源到電動汽車,、全電飛機(jī)、高速電機(jī)等高壓應(yīng)用,，以及新能源,、高速鐵路、艦船,、中壓配電網(wǎng)等大電流應(yīng)用都已進(jìn)入實用階段,。
三代SiC器件的迭代
在SiC器件和封裝發(fā)展進(jìn)程中，窺一斑即可知全豹,。三菱電機(jī)半導(dǎo)體大中國區(qū)應(yīng)用技術(shù)經(jīng)理馬先奎講述了這樣的歷程,。
上世紀(jì)90年代初，三菱電機(jī)開始研發(fā)SiC產(chǎn)品,；2010年,，一些SiC器件已在各種各樣產(chǎn)品中商業(yè)化；2015年后,，除了開發(fā)新器件外,，一直在做從小功率到大功率產(chǎn)品的拓展。
在SiC芯片技術(shù)方面,，2015年已開發(fā)出第二代產(chǎn)品,；2018年推出第二代平面柵6英寸產(chǎn)品，針對高壓器件內(nèi)嵌了SBD芯片,，并著手開發(fā)第三代溝槽柵芯片,。其產(chǎn)品性能不斷提升，損耗不斷降低,，以滿足更多應(yīng)用領(lǐng)域的需求,。
第二代SiC MOSFET芯片仍采用平面柵結(jié)構(gòu)，特點首先是低通態(tài)損耗,；還采用了JFET摻雜技術(shù)以及薄晶圓工藝,。在導(dǎo)通電阻方面，通常JFET層和漂移層所占比重非常大,，而隨著器件額定電壓升高,，占比會越來越大。三菱電機(jī)通過JFET摻雜技術(shù)降低了JFET導(dǎo)通電阻,，從而降低了器件損耗,，還同步優(yōu)化了器件的開關(guān)損耗。
到了第三代SiC芯片,，三菱電機(jī)采用了溝槽柵結(jié)構(gòu),，用多離子傾斜注入技術(shù)來形成MOSFET芯片,。好處首先是柵氧場強(qiáng)降低了，芯片可靠性提升,，加上之前的JFET摻雜技術(shù)降低了溝槽電阻,，也優(yōu)化了導(dǎo)通電阻。此外,，工藝的提升并沒有帶來特殊要求,，其可生產(chǎn)性保持不變或加強(qiáng)了。
高壓SiC MOSFET晶圓則采用了另一個思路,，內(nèi)嵌SBD技術(shù),，實現(xiàn)了額定電壓3300V、6500V的模塊,。其好處是,，以前的產(chǎn)品需要在模塊中封裝MOSFET和SBD，現(xiàn)在用一個芯片實現(xiàn),，芯片面積小了很多,。這樣，就可以給客戶帶來成本方面的效益,。
除了高壓SiC MOSFET,，三菱電機(jī)還在研發(fā)更高電壓的芯片，如雙極性器件,、SiC IGBT,，實際樣品也通過了驗證，耐壓達(dá)到了13000V,。
封裝成了提升可靠性和性能的關(guān)鍵
封裝是承載器件的載體,，也是保證SiC芯片可靠性、充分發(fā)揮性能的關(guān)鍵,。從封裝技術(shù)發(fā)展看,，首先是分立式SiC MOSFET器件，從最初的TO－247 3腳到TO－247 4腳,，后來是采用開爾文連接的TO－263 7腳封裝,，雜散電感得到不斷優(yōu)化，特別是開爾文連接改善了驅(qū)動,，降低了模塊損耗,，有助于提升SiC器件的性能。
SiC MOSFET模塊面世后,，也在利用模塊封裝不斷降低雜散電感,，以充分發(fā)揮SiC芯片性能；通過采用對稱布局和層疊端子,，實現(xiàn)了更大功率的模塊,；標(biāo)準(zhǔn)封裝也在逐漸被市場接受,，可滿足各種多樣化需求。
對SiC MOSFET模塊來說,，除了外形變化，更重要的是如何充分發(fā)揮器件性能,，讓應(yīng)用更加簡單,、可靠。所推出的更高集成化的模塊,，例如從常規(guī)MOSFET模塊到內(nèi)置RTC的模塊,，甚至集成驅(qū)動和保護(hù)的IPM模塊，功能不斷提升,，使SiC性能得以在用戶的各種應(yīng)用中體現(xiàn),。
封裝技術(shù)的發(fā)展同時兼顧了充分發(fā)揮SiC芯片性能和實際應(yīng)用易用性與可靠性要求，以多樣化產(chǎn)品滿足了市場的廣泛需求,。
分立式SiC器件依然故我
依然故我,，卻并非不思進(jìn)取，一點也沒有改變,，這就是分立式SiC器件,。三菱電機(jī)半導(dǎo)體大中國區(qū)高級應(yīng)用工程師趙瑞表示，分立式SiC器件仍然是PFC,、DC－DC,、OBC等應(yīng)用中提升功率密度和效率不可或缺的器件，更何況SiC才剛剛開始導(dǎo)入各種應(yīng)用呢,？
談到應(yīng)用場景,，趙瑞認(rèn)為，分立式SiC器件,，包括SiC二極管,，廣泛適用于各種充電應(yīng)用系統(tǒng)，典型拓?fù)涫且粋€整流加上PFC,、雙向DC－DC,，以及PLC電路，其優(yōu)勢是減少電抗器,、變壓器和散熱器尺寸,。
三菱電機(jī)的N系列SiC MOSFET器件具有較低的鏡像電容，實現(xiàn)了無誤導(dǎo)通風(fēng)險的寬短路安全工作區(qū)（SOA）,，且開關(guān)性能良好,，開關(guān)損耗低；同時允許體二極管導(dǎo)通工作和柵極負(fù)偏置,，可靠性高,。N系列主要有1200V 80mΩ,、40mΩ、22mΩ,；封裝有TO－247－3,、TO－247－4、TO－267－7 3封裝,；每個型號都有工業(yè)版本和車規(guī)版本,，滿足AEC－Q101規(guī)格。
好處還不止這些,，在系統(tǒng)中采用SiC MOSFET方案,，可以進(jìn)一步縮小體積，減少系統(tǒng)承載,，降低系統(tǒng)成本,，提高布局靈活度。
目前,，三菱電機(jī)SiC器件采用第二代平面型芯片技術(shù),，以JFET摻雜降低JFET內(nèi)阻，同時縮小了JFET寬度,，使反向輸出電容減小,，在實現(xiàn)防誤導(dǎo)通高魯棒性的同時進(jìn)一步減少了開關(guān)損耗。
為防止誤導(dǎo)通風(fēng)險,，需要提高dV／dt（開關(guān)速度）下的輸入電容（Ciss）與反向電容（Crss）的比值,，對比顯示，N系列比值很高,，代表誤導(dǎo)通能力很強(qiáng),。另外是門檻電壓（VGSth）數(shù)值，N系列2．3V左右,，但即使是在如此低的門檻電壓下,，在無誤導(dǎo)通安全工作區(qū)，以及縱軸－5到－10V的門極關(guān)斷電壓（VGS＿off）內(nèi),，N系列在開關(guān)速度達(dá)到120V／ns都沒有誤導(dǎo)通,，而其他競品工作區(qū)小些，開關(guān)速度在70,、80V／ns左右,，需要把關(guān)斷門極電壓調(diào)低一些。
同樣,，橫軸是開關(guān)速度,，縱軸則是開關(guān)損耗。很明顯,，開關(guān)速度越快,，器件整體開關(guān)損耗越小,。幾個競品相比，實線代表N系列可以實現(xiàn)的無誤導(dǎo)通風(fēng)險曲線,，虛線表示如果速度加快,，就可能有寄生導(dǎo)通風(fēng)險。在整個橫軸,，N系列都是實線,。
三菱電機(jī)分立器件的推薦柵源極電壓是－5V到＋15V，其他友商絕大部分是0V到18V,。SiC的門極有一個柵氧化層,，存在門檻電壓漂移的問題,，尤其是在負(fù)壓時,，門檻電壓漂高后，會導(dǎo)致?lián)p耗增加,，整個溫升就會增加,，導(dǎo)致器件失效率上升。測試表明,，通過使用負(fù)電壓,，＋15、－5V脈沖偏置條件下門檻電壓都保持不變,，充分發(fā)揮了SiC開關(guān)速度快的能力,。
由于分立器件是單管，所以功率能力都比較小,，所以不可避免會有并聯(lián)工作的場景,。三菱電機(jī)的產(chǎn)品無論導(dǎo)通電阻，還是開關(guān)損耗,，都是正溫度系數(shù),，有利于并聯(lián)；同時,，門檻電壓偏差最大最小值在1V左右,，而不是其他產(chǎn)品2V以上的水平。門檻電壓偏差值越小,，實際應(yīng)用中并聯(lián)越簡單,、可靠。
現(xiàn)在市面上SiC分立式二極管比較多,，三菱電機(jī)的策略是以全爭勝,，產(chǎn)品涵蓋600V和1200V 10A、20A規(guī)格,，還有車規(guī)器件,。其二極管采用JBS結(jié)構(gòu),，可以降低導(dǎo)通壓降，同時提高正向浪涌能力,。SiC－SBD基準(zhǔn)測試顯示,，以20A器件為例，與競品比較,，三菱電機(jī)的正向?qū)ɡ擞考罢驂航刀急容^好,。
實踐出真知
實際應(yīng)用表明，使用SiC器件開通損耗,、關(guān)斷損耗,、反向恢復(fù)損耗都可大幅下降，總體損耗減小了七倍,，開關(guān)頻率大幅度提高,。如趙爭鳴教授所說：“其實，原來的開關(guān),，包括硅基MOSFET和IGBT,，開關(guān)頻率還可以往上提，但是越提損耗越高,，效率下降就沒有意義了,。”
電力電子變換器的第一指標(biāo)就是效率,，效率低就沒有什么價值,。提高采樣頻率波形就會更好，SiC的工作頻率比硅基器件高很多,，可達(dá)4到5倍,，總損耗顯著下降，這正是SiC應(yīng)用的主要驅(qū)動力,。
