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碳化硅前景可期 英飞凌完善布局

admin
2020-04-26
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标签:电源管理

迈向节能世界的下一个关键步骤是使用新材料,比如宽带隙(WBG)半导体,这些材料可以实现更高的功率效率、更小的尺寸、更轻的重量、更低的总体成本——或者同时实现上述所有优点。与硅相比,碳化硅具有3电子伏特(eV)的宽带隙和更高的导热率。基于SiC的MOSFET最适用于高击穿、高功率的高频应用。与硅相比,诸如RDS(on)等器件参数随温度的变化较小。这使设计人员能够在设计中实现更小的极限,从而实现更高的性能。

近日,关于SiC的机遇和前景以及应用优势和价值,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线上分享了自己的见解。

来源:Bodo's功率系统杂志

碳化硅:机遇和前景

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650V SiC MOSFET市场增长速度可期

目前,650V SiC MOSFET的主要应用包括电源、不间断电源(UPS)、电动汽车充电、电机驱动、光伏和储能。根据IHS的预估,650V SiC MOSFET今年的市场份额将达到5000万美元,而2028年将进一步达到1亿6000万美元,其年复合成长率为16%。虽然SiC的应用还处于早期阶段,但是其增长速度可期。

650V CoolSiC™ MOSFET技术和产品及其应用优势和价值

英飞凌在SiC领域有着超过10年的经验,不同部门均在研发SiC产品,其中SiC二极管已经推出十几年,产品已经迭代至第六代。今年2月,英飞凌科技股份公司推出650 V CoolSiC™ MOSFET系列,完善了其600V/650V细分领域的硅基(Si)、碳化硅(SiC)以及氮化镓(GaN)功率半导体产品组合。该系列SiC MOSFET可满足包括服务器、电信和工业SMPS、太阳能系统、能源存储和电池化成、不间断电源(UPS)、电机控制和驱动以及电动汽车充电等在内的大量应用与日俱增的能效、功率密度和可靠性的需求。

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CoolSiC™ MOSFET兼顾性能、坚固性、可靠性和易用性

650 V CoolSiC™ MOSFET器件的额定电阻值在27 mΩ-107 mΩ之间,既可采用典型的TO-247 3引脚封装,也支持开关损耗更低的TO-247 4引脚封装。与过去发布的所有CoolSiC™ MOSFET产品相比,全新650V系列基于英飞凌先进的沟槽半导体技术。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。沟槽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。

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沟槽式和平面式栅极氧化层可靠性和性能对比

陈清源表示,“在同样的可靠度上面,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。我们在谈一个未来新的突破性的元件,当然是看到它的性能。借由这个沟槽式的设计,我们可以让它的性能发挥到极致。另外,英飞凌在沟槽式设计已经有20年的经验积累,在良率控制和稳定性控制方面,已经很有心得。”

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CoolMOS™、CoolSiC™、CoolGaN™ 导通电阻RDS(on)性能对比

与市面上其它硅基以及碳化硅解决方案相比,650 V CoolSiC™ MOSFET能够带来更加吸引人的优势:更高开关频率下更优的开关效率以及出色的可靠性。对比CoolMOS™、CoolSiC™、CoolGaN™ 导通电阻RDS(on)可见,三种器件的导通电阻均与温度正相关,当上述三种器件25℃下导通电阻取为相同值时,100℃时CoolSiC™的电阻比CoolMOS™少了32%,也比CoolGaN™少了26%。这表明在高温状态下,CoolSiC™的效能会远比CoolGaN™和CoolMOS™好,并且选用SiC可降低设计成本。得益于与温度相关的超低导通电阻(RDS(on)),这些器件具备出色的热性能。

此外,它们还采用了坚固耐用的体二极管,有非常低的反向恢复电荷:比最佳的超结CoolMOS™ MOSFET低80%左右。其换向坚固性,更是轻松实现了98%的整体系统效率,如通过连续导通模式图腾柱功率因素校正(PFC)。

为了简化采用650 V CoolSiC™ MOSFET的应用设计,确保器件高效运行,英飞凌还提供了专用的单通道和双通道电气隔离EiceDRIVER™栅极驱动器IC。这个解决方案(整合了CoolSiC™开关和专用的栅极驱动器IC)有助于降低系统成本和总拥有成本,以及提高能效。CoolSiC™ MOSFET可与其它英飞凌EiceDRIVER™栅极驱动器系列IC无缝协作。

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Si、SiC和GaN应用领域对比

作为半导体领域的主流技术,Si器件的研究和应用最为成熟,其工作电压涵盖低压(25V)至中压(1.7kV)。按照功率来化分,其应用涵盖移动电源、充电桩和光伏等不同等级跨度。SiC适用的电压范围比较高,从650V到高压3.3kV,因此其应用范围也比较广,例如风电、大数据中心的供电等。GaN的工作电压相对比较较低,范围为80V-650V。但是到MHz级的切换频率远远超过了Si和SiC(kHz等级),这有助于减小磁性元件的尺寸。

陈清源表示,“这三中类型器件英飞凌均有研发和提供,并且都有不同的产品。这三种器件讲长期共存,这也给英飞凌带来了固定的、很高的收益,因此可以继续去支持我们展开一些新产品的开发、研究以及与客户合作。”

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600/650V CoolMOS™、CoolSiC™、CoolGaN™性能对比

另外,从效率、功率密度、坚固性、易用性、性价比和产品范围来看,英飞凌的CoolMOS™、CoolSiC™、CoolGaN™各有优势。传统的Si,产品范围最广、开发最久、性价比最高。但是就效率和功率密度以及切换速度而言,GaN绝对是无可取代的。然而SiC温度系数变化比较小且耐高温,如果要同时考虑易用性、坚固和耐用度,SiC将是一个很好的选择。

结语

陈清源最后总结道,“英飞凌的650V碳化硅的产品兼顾一流的性能、坚固性和易用性的独特优势。英飞凌在电源管理领域已经拥有几十年的经验,而且我们一直保持领先的地位。我们在新产品导入的经验,以及跟客户合作方面,一直以来受到广泛的认可。我们现在只有8个产品,我们会继续在年底发布新产品,到2021 年CoolSiC™系列产品将扩展到50个以上。我们将提供完整的产品以适用于各种不同的应用场域。”

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