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碳化硅:损耗低、导热佳,支撑 kV 等级的高压应用

时间:2019-04-17 08:06来源:Compotech 作者:任苙萍 点击:
市调机构 Market Study Report 新近发布一份报告指出:2018 年碳化硅 (SiC) 与氮化镓 (GaN) 功率器件市场规模约 3.2 亿美元,预计 2025 年将达到 3.08 亿美元,预测期内的年复合成长率 (CAGR) 为 32.5%。然而,当人们将 SiC 与 GaN 相提并论时,除了高效率、低损耗、小型化等共通优点外,就功率器件而言,现阶段在应用取向仍有分野:SiC 多用于消耗大量二极管的功率因素校正 (PFC)、尤其是上千伏特 (V) 的高压电源产品;而 GaN 多用于高功率密度 DC/DC 电源的高电子迁移率晶体管 (HEMT) 以及 600V 以上的 HEMT 混合串联开关。
 
临界电场强,SBD、MOSFET 最爱
碳化硅发展较早,相较于硅和砷化镓 (GaAs),碳化硅更适合用于高温、高功率器件,亦可作为氮化镓的外延基板。当电子从"价带"(valence band,指绝对零度中电子最高能量的区域) 移动到"导带"(conduction band,电子经由外在电场加速形成电流) 并用于电流时需要能量,宽禁带 (WBG) 的能量远高于硅——相较于硅的 1.1eV (电子伏特),SiC 需要 3.2 eV;意味着在相同尺寸下,这些额外能量可带来更高的电压击穿性能,在失效前可承受更高的温度,肖特基二极管 (SBD)、高功率金属氧化物半导体场效晶体管 (MOSFET) 是主要市场。
 
科锐 (Cree) 及旗下 Wolfspeed、罗姆半导体 (Rohm)、英飞凌 (Infineon)、意法半导体 (ST) 等是 SiC 功率器件的领先制造商,但以下公司在专利布局亦拥有坚强实力,包括:通用电气 (GE),日本的富士电机 (Fujitsu Electronics)、电装 (Denso)、丰田汽车 (Toyota Motor)、丰田中央研究所 (CRDL)、三菱 (Mitsubishi)、松下 (Panasonic)、住友电气 (Sumitomo Electric) 和日立 (Hitachi),以及中国大陆的世纪金光半导体 (Century Goldray)、株洲中车时代电气 (CRRC Times Electric)、中国国家电网 (SGCC)、电子科技大学 (Uestc),还有台商瀚薪科技 (Hestia Power)。
 

图1:SiC 功率器件专利厂商布局
资料来源:Yole Développement 子公司Knowmade;
https://www.knowmade.com/sic-adoption-is-accelerating-is-the-industrial-supply-chain-ready/
 
SBD 和 MOSFET 等"单极器件"最能体现碳化硅的好处,可提供高达 10kV 的电压额定值 (先进厂商正致力将额定电压提高到 3.3kV 以上),即使在高温或低电流下也能实现"低导通损耗",使得 SiC 器件能耐受 200℃ 工作温度,也可避免低负载或空载时的无谓浪费,因而成为太阳能和汽车的新势力;惟 P-I-N 二极管、绝缘闸双极晶体管 (IGBT) 和晶闸管 (Thyristor) 等高压 SiC 双极器件,会因固有内置电压而有高开态损耗的限制。SiC SBD 常用于太阳能逆变器 (Inverter),而 SiC MOSFET 则用于高功率电源、驱动电子开关、智能工控和车辆电气化等。
 
SiC MOSFET 提升电动车充电效率&续航力
油电混合车/电动车 (HEV/EV) 的主变频器 (VFD)、板载充电器、升压器或 DC-DC 转换器也逐渐倾向用 SiC MOSFET 提升充电效率并增加续航力——经由调整闸极驱动器配置、优化关断闸极电阻,使损耗远低于 IGBT 器件;另相较于横向结构的 GaN HEMT 电池,垂直沟槽 (Trench) 的SiC 结型场效晶体管 (JFET) 之导通电阻也更低。预估 2023 年,全球电动汽车控制器市值约 1,000 万美元,CAGR 达 42.51%;特斯拉 (Tesla) 即已将 ST 基于 SiC MOSFET 的智能功率模块 (IPM) 集成到 Model 3 逆变器,推估每个逆变器使用 24 个 SiC MOSFET 模块,商机庞大,英飞凌亦在 2017 年打入 Model 3 供应链。
 

图2:硅、碳化硅和氮化镓的应用取向
资料来源:英飞凌官网;
https://www.infineon.com/cms/en/product/power/wide-band-gap-semiconductors-sic-gan/
 
IPM 涵盖驱动电路和控制单元,以定制集成电路执行供电欠压、过温和短路等自我保护功能,包括单相模块三相输出到高压直流的所有高压控制,可适应基本结构或设计变化,例如,增加电流或轨道,并提升系统可靠性。一般而言,IGBT 常用于电机控制或低频、高压处理,而 MOSFET 多用于低压放大或高频切换电子信号,施加到器件的电压量将决定其导电性。虽然 SiC MOSFET 导通电阻会随工作温度增加,且调高闸极值会增加关断状态的能量消耗,但拜低反向恢复峰值电流、切换期间快速降压及单极性无动态崩溃极限所赐,器件仍可正常运作。
 
在大电流导通 vs. 高电压截止的动静间,假设传导损耗类似,SiC MOSFET 可较硅二极管降低逾 75% 的开关损耗,且二极管恢复损耗几可忽略不计,特别适合多级拓朴的设计。全球首家成功生产 SiC MOSFET 的罗姆半导体说明,高耐压硅组件之单位面积导通电阻会以 2~2.5 倍增加,以往 600V 以上多使用 IGBT,须藉由调变传导度、在漂移层内注入少数载子之正孔以降低导通电阻。但与此同时,少数载子累积会导致断开时产生尾电流又大幅增加开关损耗,而碳化硅正好可解决这个痛点。
 
罗姆"双沟槽"避免电场单一集中,强化长期可靠性
SiC 漂移层电阻比硅低、不须传导调变,故可用高速组件构成 MOSFET 来取代 IGBT,可兼顾高耐压与低电阻且不会产生尾电流,能有效降低开关损耗并缩小冷却器,适用于工业机器电源与高效率电源调节器的变频器、转换器等。在碳化硅商用化之前,就算借助高掺杂浓度的超结型 (SJ-MOSFET),也只能做到 900V 左右;而碳化硅绝缘破坏电场界强度为硅的十倍,可以低电阻、薄膜厚的漂移层实现 1700V 以上的高压、低导通电阻产品。为拉长电动车行驶距离、增大电池容量并缩短充电时间,高功率、高效率的板载充电器实不可或缺。
 

图3:Si vs. SiC 之耐压比较
资料来源:罗姆半导体官网;
https://www.rohm.com.tw/electronics-basics/sic/sic_what3
 
另一方面,800V 以上的高电压电池亦需低损耗、高耐压的功率器件支持。面向车载充电器和 DC/DC 转换器市场,罗姆日前一口气再推十个符合汽车 AEC-Q101 标准的 650V/1200V 沟槽式闸极 SiC MOSFET——SCT3xxxxxHR 系列。SCT3xxxxxHR 采用罗姆第三代"双沟槽"结构,在源极部分增加沟槽可减少单沟槽闸极的沟槽底部电场集中所引发的长期可靠性疑虑,且较第二代平面型降低 50% 导通电阻和 35% 输入电容。罗姆早在 2012 年即为车载充电器提供 SiC SBD,并从 2017 年为 DC/DC 转换器和板载充电器提供 SiC MOSFET。
 
表1:ROHM 新型"SCT3xxxxxHR系列"SiC MOSFET 一览
 

资料来源:罗姆官网;
https://www.rohm.com.tw/news-detail?news-title=2019-03-27_news_automotive_sicmos&defaultGroupId
 
坚持"垂直整合型"生产体系、从研发到制造全部在集团内进行,严控所有流程并建立可追溯系统。罗姆强调,SiC 功率器件也在集团内部建立"从晶圆到封装"生产的一条龙生产体制,以消除生产过程的瓶颈,实现高质量和高可靠性。安森美半导体亦在 2019 年应用电力电子会议暨展览会 (APEC) 推出两款工作电压为 1200V、80 毫欧 (mΩ) 的 SiC MOSFET 器件——NTHL080N120SC1 用于工业市场、NVHL080N120SC1 用于 AEC-Q101 汽车,为太阳能、电动车、不间断电源 (UPS) 和服务器电源创建板载充电器应用。
 
SiC MOSFET 传导、开关损耗,须整体考虑
NVHL080N120SC1 设计用于承受高浪涌电流,具有高崩溃能力和抗短路能力。汽车级 MOSFET 的最高工作温度为 175°C,用于动力系统的电气化以及高密度和空间限制需要环境温度的目标应用。同场较劲的还有全球最大功率器件供货商英飞凌,基于自有 OptiMOS 6 技术的首批器件,专为服务器、个人计算机和充电器开关模式的同步整流而设计,无需权衡高负载、低负载条件,可在各种功率输出进行维护。看好碳化硅前景,英飞凌一度想收购 Cree 旗下 Wolfspeed Power&RF 部门——精于 SiC 晶圆基板及射频功率应用的 SiC 单晶氮化镓层制造。
 
可惜最后终因独占性太强、遭到监管机关驳回而告吹;不过,两家公司已在去年签署长期协议:英飞凌可从 Cree 获得 6 吋 SiC 晶圆,确认供应无虞。在应对高功率应用常见的"过电压"和"瞬态短路"方面,如前所述,SiC MOSFET 的高温额定值能提供较宽广的安全余裕,在开关期间防止寄生 N-P-N 晶体管失效。虽然低压 SiC MOSFET 已具耐受短路条件的能力,但对于高压应用的"故障处理"仍有待加强;为应对短路,往往需采用新的闸极驱动条件来限制脉冲持续时间,却又会导致更高的热应力、增加传导损耗,不可不慎。
 
 
此外,封装材料和接合技术也会影响可靠度,这也是结型技术兴起之故;另开发低电感封装和电路非常重要,专家建议利用钝化设计及更好的封装来保护器件。简言之,SiC MOSFET 具有低漏电流、快速本质半导体 (Intrinsic semiconductor)、低反向恢复电荷、快速导通/关断及低正向电压等优点,可降低总功耗和低压器件电容,但业界也不是所有人都认同 SiC 的快速开关能力;有厂商主张,高频工作能力仅限于低压/低功率系统的低杂散电感环境才适用,高功率系统多半会要求半导体缓慢执行开关动作;对于 SiC 器件而言,又会重新引入损耗。
 
SiC 功率器件带动"隔离"& PCB 设计工具需求
在 SiC 功率开关中,MOSFET、JFET和双极性晶体管 (BJT) 是相互竞争的技术——前两者由电压控制,BJT 由电流控制;其中,SiC JFET 因噪声更低,常用于前端信号处理。因 JFET 电流路径可用作控制器 IC 的启动电源,当转换器开始运行时,来自转换器变压器的辅助电源可受控,不会有更多耗散;UnitedSiC 公司甫推出用于低功率、常开工作电压 650~1700V 的 AC-DC 反驰式转换器 (Flyback Converter) SiC JFET,即主打可简化消费电子的适配器和辅助电源启动,实现零待机功耗。看中上述优势,亚德诺 (ADI) 与 UnitedSiC 已在 SiC 器件合作逾两年。
 
近日,双方更传出进一步就 SiC 产品达成长期供应协议,以加强 ADI 模拟电源组合。SiC 功率器件的较高dV / dt 额定值也带动"隔离"需求;市调机构 GIR 预估,全球隔离闸极驱动器未来五年将以 4.3% 的 CAGR 增长,从 2019 年的 1 亿美元上升到 2024 年的 1.3亿美元。隔离可用于电源轨、信号线 (数据),也可两者兼采,意在更好地控制电磁干扰 (EMI) 标准。德州仪器 (TI) 近日针对 IGBTs 和 SiC MOSFET 推出首款具备"整合感测功能"的隔离式闸极驱动器——UCC21710-Q1、UCC21732-Q1 和 UCC21750。
 
表2:Si MOSFET、IGBT 与 SiC 闸门驱动器比较
 
 
利用电容隔离技术大幅延长绝缘层 (insulation barrier) 的使用寿命,能于高达 1.5 kVRMS 的工作电压应用简化设计并实现更高的系统可靠度,大幅节省能耗、监控高压系统,并对过电流事件提供有效保护,以确保系统安全关机,提升汽车和工业应用的总体系统效率。最后值得留意的是,SiC 在 PFC、UPS、消费电子和电动汽车等 900V 以下低电压产品正面对 GaN 的强悍抢市,转攻 1200V 以上市场;而为弥补成本并最大化利润,供货商正努力提供系统级解决方案、而非单纯组件。
 
高性能材料亦会导致印刷电路板 (PCB) 布局变得更加困难,"虚拟原型"的布局后分析是管理这一挑战的理想选择,但前提是须具备复杂的通用电磁场解算专业。有鉴于此,是德科技 (Keysight) 新近为其 PathWave 先进设计系统 (ADS) 推出 Power Electronics Professional (PEPro) 附属软件,让设计人员能可视化开关模式电源 (SMPS) 设计的效果,无需花费时间建构和测试原型。PEPro 初期先提供 ADS 部分客户试用,量产版将于今年 7 月 1 日上市。功率器件的演进,牵动的不只是材料源头,还有后续整个工程走向。

 

(责任编辑:helen)
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