納微半導(dǎo)體GeneSiC起源與SiC的未來

本文轉(zhuǎn)載自Bodo's功率系統(tǒng)2023年10月刊，作者為納微半導(dǎo)體碳化硅產(chǎn)品線營銷高級(jí)總監(jiān)Llew Vaughan-Edmunds

納微半導(dǎo)體于 2022 年收購了 GeneSiC 半導(dǎo)體， 成為業(yè)內(nèi)唯一一家完全專注于基于 SiC 和 GaN 的下一代功率半導(dǎo)體公司。現(xiàn)任納微半導(dǎo)體碳化硅事業(yè)線執(zhí)行副總裁 Ranbir Singh 博士于 2004 年創(chuàng)立了GeneSiC，他在 SiC 功率技術(shù)方面有著豐富的經(jīng)驗(yàn)，他在北卡羅來納大學(xué)（NCSU）研究出第一個(gè) SiC 功率器件。為了紀(jì)念這項(xiàng)開創(chuàng)性的工作，Singh 博士于 2022 年被選入了 NCSU 電氣與計(jì)算機(jī)工程（ECE）校友名人堂。

GeneSiC 的 MOSFET 和肖特基 MPS二極管具有業(yè)界最寬的額定電壓范圍（從650V到 6.5kV），并一直處于 SiC 技術(shù)的最前沿。GeneSiC 參與了 60 多個(gè)政府機(jī)構(gòu)項(xiàng)目，擴(kuò)展了 SiC 性能、魯棒性和可靠性的邊界，其中包括為能源部（DoE：Departmentof Energy）開發(fā)了用于儲(chǔ)能的 6.5 kV SiC 晶閘管和并網(wǎng)逆變器；用于 NASA 金星探測任務(wù)的 500 °C 單片集成 SiC 超級(jí)結(jié)晶體管 - JBS 二極管（MIDSJT）。

SiC市場

SiC 市場在過去幾年中迅速擴(kuò)大，這要?dú)w功于工程師對(duì)該技術(shù)的接受程度不斷提高，以及對(duì)如何最大限度地利用 WBG 功率器件性能優(yōu)勢的理解不斷加深。Yole 預(yù)測到 2027 年 SiC 器件市場將從 2021 年的 10 億美元增長到 60 億美元以上，其中很大一部分增長將來自汽車行業(yè)的解決方案以及光伏/儲(chǔ)能系統(tǒng)和工業(yè)應(yīng)用。

2022年美國的電動(dòng)汽車（EV：Electric Vehicle）銷量超過了乘用車市場總量的5%，正式加入了其他18個(gè)達(dá)到這一門檻國家的陣營中。然而，對(duì)于想要過渡到 EV 的消費(fèi)者來說，仍然有兩個(gè)主要問題：里程焦慮和充電時(shí)間。汽油車和柴油車加滿油的時(shí)間不到5分鐘，而第 1 代 EV 充電至少需要25分鐘才能充滿80%的電量。

為了解決這個(gè)問題，EV 制造商正在將 400V 電壓平臺(tái)過渡到 800V 電壓平臺(tái)，并配備路邊增壓器，峰值充電功率可達(dá) 350kW。目前 Genesis GV70 等 EV 使用 3電平 800V/350kW 直流充電器，可以在18分鐘內(nèi)將電量從10%增加到80%。除了更高的功率傳輸外，電壓的提升降低了 I2R 傳輸功率損耗與發(fā)熱，同時(shí)也減少了電纜的重量和成本。為了實(shí)現(xiàn)更高的電壓，電纜和電機(jī)繞組都需要加強(qiáng)絕緣，并且逆變器系統(tǒng)必須設(shè)計(jì)得與之匹配。由于在更高電壓下的效率和性能改進(jìn)，1200V SiC MOSFET 非常適用于這一要求。

EV 給住宅供電

一般情況下，EV 的電池平均容量為 40 kWhr，其電池容量是普通住宅電池儲(chǔ)能系統(tǒng)（BESS）的 4 倍，這意味著它可以很輕松地給一個(gè)普通住宅提供一整天所需的電量。提供這種選擇的車輛到住宅（V2H：Vehicle-to-Home）方法將成為行業(yè)的顛覆性驅(qū)動(dòng)力，并改變我們未來使用能源的方式。從 EV 獲取電力將節(jié)省電力成本并減少電網(wǎng)的緊張需求，而在需求和成本較低時(shí)為 EV 充電可以降低家庭賬單并獲得更好的電網(wǎng)穩(wěn)定性。更重要的是，EV 還可以在需求高的時(shí)候向電網(wǎng)提供能量（V2G：Vehicle-to-Grid）。這有可能改變公用電網(wǎng)現(xiàn)狀，使其在宏觀尺度上更智能、更動(dòng)態(tài)地傳輸和儲(chǔ)存電力。

考慮到這一點(diǎn)，EV 制造商們現(xiàn)在開始推出雙向車載充電器（OBC：On-board Charger），為 V2H、V2G 和車輛 - 負(fù)載（V2L：Vehicle-to-Load）提供雙向供電通道。當(dāng)前日產(chǎn)Leaf、福特F-150 Lightning、現(xiàn)代 Ioniq 5、起亞 EV6 和三菱歐藍(lán)德 PHEV 都具備了這一功能。

這種下一代集成和整體電源解決方案越來越依賴于 SiC 功率器件，GeneSiC 產(chǎn)品系列中的 SiC MOSFET 可以提供這些應(yīng)用所需的高溫、高速性能，同時(shí)其 SiC MPS 二極管具有低正向壓降和快速開關(guān)特性，能夠以低泄漏承受過大的浪涌電流。

快速充電站

GeneSiC 在滿足汽車行業(yè)需求的經(jīng)驗(yàn)還包括開發(fā)快速充電站解決方案，這對(duì) EV 的快速普及至關(guān)重要。以 SK Signet 最近設(shè)計(jì)的額定 350kW 快速充電樁為例，它可以將 277VAC 的市電變換為200~950VDC 精準(zhǔn)控制的電壓，適用于 400V 和 800V 電壓平臺(tái)的 EV。每個(gè)快速充電樁在輸入功率因數(shù)校正（PFC：PowerFactor Correction） 和 輸 出 整 流 級(jí) 中 使 用 168 x 1700V 額定GeneSiC 二極管，以提供高效、穩(wěn)定的運(yùn)行。由于閾值電壓（VTH：Threshold Voltage）極低的特性，高性能 GeneSiC 器件的工作結(jié)溫比競爭產(chǎn)品低 12°C，從而最大限度地節(jié)省能源并支持更長的使用壽命。

快速充電也是工業(yè)領(lǐng)域的一個(gè)關(guān)鍵需求，同樣 GeneSiC 正在布局相關(guān)技術(shù)以解決該特定應(yīng)用領(lǐng)域的挑戰(zhàn)。例如 ExideTechnologies 采用了全新的、領(lǐng)先的 GeneSiC 功率半導(dǎo)體，以確保其用于工業(yè)材料處理設(shè)備的下一代高頻快速充電器的可靠性、安全性、易用性和最佳充電性能。

Exide 2100 系列快速充電器可將 220V 交流電源變換為 24~80V 的直流電壓， 適用于自動(dòng)導(dǎo)引車（AGVs：Automated Guided Vehicles）、叉車 和托盤車等載人及物料搬運(yùn)設(shè)備。每 個(gè) 7kW 模 塊 均 使 用 了 GeneSiC 750V MOSFET 和具有頻率優(yōu)化架構(gòu)的 MPS 肖特基二極管。同一平臺(tái)的整體功率可以提升到 10kW，且 4 個(gè)模塊并聯(lián)后可提供 40kW 可靠的快速充電電源。

光伏應(yīng)用

SiC 的另一個(gè)重要增長動(dòng)力是光伏變換、風(fēng)能、熱泵和儲(chǔ)能等領(lǐng)域的能源管理。

近年來，由于天氣條件和氣候變化，停電次數(shù)不斷地在增加。2021 年全球共發(fā)生 3.5 億次停電，在美國報(bào)告過的重大停電事件中的約 83% 可歸因于天氣因素。由于電網(wǎng)的穩(wěn)定性受到質(zhì)疑，客戶正在致力于在他們的家庭和企業(yè)中安裝太陽能和 BESS 系統(tǒng)。事實(shí)上，在美國與太陽能電池板一起銷售的電池存儲(chǔ)功能的附加率僅在 18 個(gè)月內(nèi)就從 9.5% 上升到了 17.1%。擁有能源獨(dú)立和能夠離網(wǎng)生活不僅提供了安全保障，還允許客戶優(yōu)化和管理能源存儲(chǔ)和使用，以降低電費(fèi)。在公用事業(yè)成本不斷增加的市場中，這是一個(gè)日益重要的問題。

GeneSiC 已經(jīng)在光伏市場應(yīng)用多年，其可以在各種逆變器中找到，包括將一系列太陽能電池板的直流電變換成 4.6kW 的交流電源的 KATEK 的 Steca coolcept fleX 系列產(chǎn)品，該產(chǎn)品用于家庭使用并可將電力反饋電網(wǎng)或存儲(chǔ)在當(dāng)?shù)毓┮院笫褂谩?/p>

每個(gè)逆變器使用 16個(gè) GeneSiC 1200V/75mΩ SiC MOSFET 構(gòu)成兩電平變換器，具有雙向升壓變換器和用于交流電壓輸出的 H4 拓?fù)潆娐贰?strong>除了提供該應(yīng)用所需的性能和可靠性外，SiC 器件開關(guān)頻率的提升能夠有效減小無源元件的尺寸和重量，與傳統(tǒng)的 Si 基逆變器相比，有效優(yōu)化了 KATEK 功率單元的尺寸和重量。

儲(chǔ)能應(yīng)用

美國家庭平均每天使用 29 kWhr 電量，滿足這一需求通常需要 20~25 塊太陽能電池板。假設(shè)屋頂每天接受 4 小時(shí)的陽光照射，每個(gè)面板提供 350W 的功率，那么就需要 22 塊面板。問題在于，只有約 30% 的用電量發(fā)生在太陽能生產(chǎn)時(shí)間內(nèi)。正午的日光最強(qiáng)，也能提供最多的電力，但此時(shí)大多數(shù)房主都在工作，無法使用這種免費(fèi)能源。

將太陽能儲(chǔ)存起來以備以后使用，意味著當(dāng)房主晚上回到家時(shí)，也就是電網(wǎng)電費(fèi)達(dá)到峰值的時(shí)候，他們可以切換到電池系統(tǒng)，從而減少了公用事業(yè)費(fèi)用，優(yōu)化了能源的分配方式。

有多種方案可以將能量存儲(chǔ)到 BESS 中，其中包括太陽能、電網(wǎng)連接以及前面提到的來自 EV 的電能。

BESS 主要由電池、電池管理系統(tǒng)（BMS：Battery Management System）、 能量管理系統(tǒng)（EMS：Energy Management System） 和能量變換系統(tǒng)（PCS：Power Conversion System）組成，其典型系統(tǒng)功率在 10~20kW 之間，這意味著為家庭供電的時(shí)間在 8 到 16 小時(shí)之間。SiC MOSFET和 GaN 功率 IC 等 WBG 器件用于這些系統(tǒng)的逆變器和降壓 / 升壓級(jí)，以實(shí)現(xiàn) AC-DC（從電網(wǎng)到電池），DC-DC（從太陽能到電池）和 DC-AC（從電池到電網(wǎng)或電池到住宅）等能量變換。

SiC 技術(shù)更新 - MOSFET

提供更高的性能和更高效的能源變換和控制方案，同時(shí)通過世界電氣化和減少 CO2 排放來支持環(huán)境可持續(xù)性，是推動(dòng)大眾市場應(yīng)用 SiC 解決方案持續(xù)發(fā)展的必要條件。下面對(duì) GeneSiC 溝槽輔助平面柵 MOSFET 技術(shù)為例進(jìn)行說明。

雖然 SiC?MOSFET?由于其寬禁帶特性和高電場強(qiáng)度而與 Si 基器件相比具有優(yōu)越的導(dǎo)電性和開關(guān)性能，但使用平面柵或溝槽柵技術(shù)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)不得不在可制造性、性能和 / 或可靠性之間做出妥協(xié)。然而，獲得專利的 GeneSiC 溝槽輔助平面柵設(shè)計(jì)是一種不妥協(xié)的新一代解決方案，可支持高產(chǎn)量制造、快速冷卻運(yùn)行以及延長壽命的可靠性。結(jié)合業(yè)界在最低的?RDS(ON)?溫度系數(shù)和在高速開關(guān)下的低損耗，這些器件實(shí)現(xiàn)了前所未有的、行業(yè)領(lǐng)先的性能、魯棒性和質(zhì)量水平。

圖 2. GeneSiC 溝槽輔助平面柵技術(shù)

通過高產(chǎn)量制造實(shí)現(xiàn)領(lǐng)先性能

RDS(ON) 和溫度的問題尤為重要。在實(shí)際應(yīng)用中，系統(tǒng)的環(huán)境溫度可高達(dá) 80°C，器件功率循環(huán)將進(jìn)一步提高結(jié)溫。GeneSiC MOSFET 在設(shè)計(jì)時(shí)考慮到這一點(diǎn)，并支持業(yè)界最低的 RDS(ON) 溫度系數(shù)。在數(shù)據(jù)表中，RDS(ON) 通常在環(huán)溫 25°C 下標(biāo)稱額定值，但根據(jù)溫度系數(shù)，RDS(ON) 會(huì)在高溫下顯著增加。在測試中，將D2PAK 中的 GeneSiC 1200V/40mΩ SiC MOSFET 與同類領(lǐng)先的 SiC MOSFET 器件在相同的柵極驅(qū)動(dòng)條件下進(jìn)行了比較，以獲得真實(shí)的數(shù)據(jù)比較。結(jié)果如圖 3 所示，其中 GeneSiC MOSFET 的運(yùn)行溫度相對(duì)降低了 25°C，從而顯著降低損耗和提高系統(tǒng)效率。從可靠性的角度來看，運(yùn)行溫度降低 25°C 意味著器件壽命延長 3 倍。

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圖 3. 運(yùn)行溫度對(duì)比

電阻與面積關(guān)系以及電阻與柵極電荷關(guān)系同樣是評(píng)估 SiC MOSFET 的重要品質(zhì)因數(shù)。

最新的2022年 Yole SystemPlus SiC 晶體管報(bào)告中比較了12種 RDS(ON) 面積和 RDS(ON)?的 SiC MOSFET 技術(shù)，結(jié)果表明 GeneSiC 的新型 MOSFET 技術(shù)優(yōu)于其它競爭對(duì)手，其創(chuàng)新的溝槽柵結(jié)構(gòu)同時(shí)保持了平面柵的耐用性、短路能力和更簡單的制造工藝。

圖 4. GeneSiC 開創(chuàng)性的 MOSFET 技術(shù)

引領(lǐng)行業(yè)且通過了第三方評(píng)估證明

2019 年，GeneSiC 與桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室和美國能源部合作，開發(fā)了一種具有混合式 PIN - 肖特基二極管（MPS）的業(yè)界先進(jìn)的單片集成 SiC 雙重離子注入 MOSFET（DMOSFET：Doubleimplanted MOSFET）器件結(jié)構(gòu)，該產(chǎn)品后來在百大研發(fā)獎(jiǎng)中獲得綠色科技特別認(rèn)可。在 MOSFET 中集成 JBS 二極管可提供更高效的雙向性能、溫度無關(guān)開關(guān)特性、低開關(guān) / 傳導(dǎo)損耗、降低散熱要求和卓越的長期可靠性。典型的應(yīng)用是牽引、脈沖電源和智能電網(wǎng)等基礎(chǔ)設(shè)施中的中壓能量變換系統(tǒng)。

圖 5. 單片集成 MPS 二極管的 GeneSiC MOSFET?

可提高第3象限運(yùn)行效率并顯著改善可靠性

MOSFET 和二極管的整體集成可在續(xù)流二極管運(yùn)行期間實(shí)現(xiàn)低導(dǎo)通損耗，而無需外部連接肖特基二極管。此外，MOSFET 結(jié)構(gòu)的內(nèi)置因 P阱/N 漂移區(qū)形成的體二極管被旁路，這體二極管工作會(huì)導(dǎo)致 MOSFET N 漂移層內(nèi)存在基面位錯(cuò)故障（BPD：Basal Plane Dislocation）。

圖 6. 與分立 SiC MOSFET 相比，單片集成 MPS 二極管的

3.3kV MOSFET 在第3象限運(yùn)行時(shí)導(dǎo)通壓降顯著降低

通過中壓（MV：Medium Voltage）電網(wǎng)到電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，可以看到這項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)勢，其中中壓電網(wǎng)通過雙有源電橋（DAB：Dual Active Bridge）和有源前端變換器（AFEC：Active Front End Converter）等隔離拓?fù)溥B接到 BESS。與兩電平拓?fù)湎啾?，三電平中性點(diǎn)箝位（NPC：Neutral-Point Clamped）逆變器降低了濾波器要求，改善了 SiC MOSFET 兩端的電壓應(yīng)力。

3.3kV SiC MOSFET 與二極管器件的串聯(lián)連接是可能的，具體取決于電網(wǎng)電壓，同時(shí)低壓側(cè)由 1200 V SiC 器件支持，如圖7所示。中頻變壓器的開關(guān)頻率范圍為 10~20kHz。根據(jù)功率要求，可以使用單相或三相拓?fù)?。使?3.3kV SiC MOSFET 與二極管單片集成方案替代幾個(gè) 1200~1700V MOSFET 或 IGBT 串聯(lián)的方案具有顯著的優(yōu)點(diǎn)，包括更容易設(shè)計(jì)柵極驅(qū)動(dòng)，更低的寄生電感，更低的傳導(dǎo)損耗和更高的系統(tǒng)效率。除了系統(tǒng)尺寸和重量外，還可以大大降低冷卻要求。

圖 7. 將 3.3kV SiC MOSFET 與二極管集成

可減少串聯(lián)器件數(shù)量，提高系統(tǒng)效率和可靠性

且同時(shí)降低重量、尺寸和冷卻要求

SiC 技術(shù)更新 - 二極管和模塊

在 PCIM 2023 上，納微半導(dǎo)體宣布推出采用低內(nèi)置電壓偏置技術(shù)的第 5 代混合式 PIN - 肖特基二極管（MPS ：Merged-PIN Schottky），提供卓越的 FOM 和最高的魯棒性，可在所有負(fù)載情況下為 SMPS PFC 應(yīng)用提供行業(yè)領(lǐng)先的效率。MPS 二極管的新穎設(shè)計(jì)結(jié)合了 PIN 和肖特基二極管結(jié)構(gòu)的最佳特性，具有最低的正向壓降（VF）、高浪涌電流能力（IFSM）以及最小的溫度無關(guān)開關(guān)損耗。專有的薄芯片技術(shù)進(jìn)一步降低了 VF，并改善了散熱器運(yùn)行的效率。

圖 8. GeneSiC 第 5 代 650V 二極管具有新穎的結(jié)構(gòu)，

可實(shí)現(xiàn)低內(nèi)置電壓偏置且具有出色的品質(zhì)因數(shù) （QC.VF）

此外，第 5 代 MPS 二極管具有一流的魯棒性和耐用性，適用于要求高浪涌電流和雪崩能力的應(yīng)用，這對(duì)故障安全設(shè)計(jì)至關(guān)重要。所有 GeneSiC 器件均經(jīng)過 100% 雪崩（UIL）生產(chǎn)測試，以確保在過電壓條件下具有最高水平的耐用性。

這些器件具有出色的品質(zhì)因數(shù)，包括低至 1.3V 的 VF 和最小的 QC， 因此非常適合連續(xù)電流模式（CCM：Continuous Current Mode） 的 PFC 電路。此外，零反向恢復(fù)電荷改善了PFC MOSFET 的導(dǎo)通性能，從而可以獲得一個(gè)更易散熱、更可靠的系統(tǒng)。

圖 9. GeneSiC 二極管在 3kW 交錯(cuò)式升壓 PFC 輕負(fù)載

和滿負(fù)載下具有最高系統(tǒng)效率

SiCPAK SiC MOSFET 模塊

納微半導(dǎo)體還宣布了推出其模塊封裝產(chǎn)品系列，從 SiCPAK module 開始。這些行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)壓接模塊在設(shè)計(jì)時(shí)將性能、可靠性和耐用性放在首位。G3 系列 1200V 半橋配置 MOSFET 的RDS(ON) 范圍為 6 mΩ 以上。SiC MOSFET 采用銀燒結(jié)技術(shù)，可提供卓越的散熱性能和可靠性。此外，直接鍵合銅 （DBC：DirectBonded Copper） 基板由 Si3N4 陶瓷上的活性金屬釬焊 （AMB：Active Metal Brazing） 制造，是高功率循環(huán)應(yīng)用的理想選擇。優(yōu)異的彎曲強(qiáng)度、高斷裂韌性和優(yōu)異的導(dǎo)熱性使 Si3N4 非常適合用于功率半導(dǎo)體模塊基板。

結(jié)論

EV、可再生能源和儲(chǔ)能等增長市場正在推動(dòng)更高的系統(tǒng)效率要求，只有 SiC 功率器件才能實(shí)現(xiàn)這些要求。納微半導(dǎo)體的 GeneSiC 產(chǎn)品系列提供領(lǐng)先的性能、高穩(wěn)健性和高達(dá) 6.5 kV 的額定電壓，以實(shí)現(xiàn)清潔、高效的能源變換，這將加速 Electrify Our World的采用。

審核編輯：黃飛

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