安森美半导体在毫秒级的的碳化硅二极管有10倍的过滤?

21ic中国电子网 发表于 2020-09-14 11:00:40 收藏 已收藏
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安森美半导体在毫秒级的的碳化硅二极管有10倍的过滤?

21ic中国电子网 发表于 2020-09-14 11:00:40
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随着半导体材料步入第三代半导体时代,行业巨头在SiC/GaN器件和模块上早已布局多年。事实上,从特性上来讲,SiC和GaN的优势是互补的,应用覆盖了电动汽车(EV)、新能源、光伏逆变器、智能电器、医疗、通信射频。

不过从细微差别来说,GaN(氮化镓)晶体管适合于高效率、高频率、高功率密度要求的应用场合;碳化硅(SiC)由于热导率是GaN的三倍以上,因此在高温应用领域具有优势,因此多用于1200V以上高温大电力领域。GaN作为后进者,由于器件水平发展历史原因,主要还是在消费和射频领域;而SiC则是极限功率器件的理想材料。

安森美半导体在毫秒级的的碳化硅二极管有10倍的过滤?

SiC这种宽紧带材料相比硅来说,拥有10倍的介电击穿场强、2倍电子饱和速度、3倍能带隙、3倍热导率。这意味着,SiC器件可以获得明显的小型化、高能效、驱动强的系统性能。数据显示,SiC的总市场容量(TAM)按终端市场显示,到2022年将超过10亿美元,复合年增长率高达35%。

SiC应用十几年了,现在这项第三代半导体材料发展现状如何了?记者连线了安森美半导体电源方案部产品市场经理王利民,讲述安森美半导体在SiC上的故事。

聚焦三大领域

纵观半导体全球市场,安森美半导体位列前20大集成器件制造商,尤其是在功率半导体这一细分领域,通过一系列收购目前已成为全球第二大半导体分立和模块供应商。王利民表示,安森美的愿景是未来5年收入超过100亿美元,成为全球前十大的整合元器件厂商(IDM)。通过数据和排名,足以见得安森美半导体的实力。

王利民为记者介绍表示,在SiC方面,安森美半导体目前主要聚焦于电动汽车、可再生能源、5G和通信电源上。

1、电动汽车(EV):安森美认为电动汽车是未来几年SiC的主要驱动力,约占总市场容量的60%。通过SiC这项技术,每年可增加多达750美元的电池续航力。

而安森美所布局的包括电动汽车本身的主驱逆变器(Traction Inverter)、车载充电器(OBC)、DC/DC和电动汽车充电桩两大方面。前者,应用SiC器件的电动汽车可大幅提高效率,增强电动汽车续航能力;后者,消费者关注主要在直流快充上,而直流快充充电桩需凭借大充电功率和效率实现。

2、可再生能源:在太阳能逆变器领域,SiC二极管使用量非常巨大。数字显示,如今已安装307 GW,至2025年将安装超过500 GW的太阳能逆变器,预计10-15年将会有15%的能源来自太阳能。

SiC半导体可应用于太能能逆变器的Boost,并随着逆变器成本优化。王利民强调,行业已有不少厂家开始使用SiC MOSFET作为主逆变的器件替换过去的三电平控制复杂电路。

3、5G和通信电源:众所周知5G元年开启,带动了整个AIoT的发展,也是一个很大的市场。传统的开关电源在Boost和高压电源上,对功率密度一直有着持之以恒的追求,从最早通信电源的金标、银标,到现在5G通信电源、云数据中心电源,对电源的能效要求越来越高。SiC器件没有反向恢复,使得电源能效可以达到98%。

拥有三项优势

产品方面,安森美半导体提供大范围的SiC MOSFET和SiC二极管,并推出多代产品。SiC二极管方面,包括650/1200V/1700V二极管产品组合;SiC MOSFET则拥有650/750/900/1200/1700V产品。

那么,这些产品拥有哪些特性?王利民为记者介绍表示,安森美半导体的SiC产品方案具备领先的可靠性、高性价比、满足汽车规范这三个重要特性:

1、领先的可靠性:在H3TRB测试(高温度/湿度/高偏置电压)里,安森美半导体的SiC二极管可以通过1000小时的可靠性测试。实际测试中,还会延长到2000小时,大幅领先于市场的可靠性水平,对比竞争对手有着明显的优势。

王利民强调,事实上,安森美半导体曾经是JEDEC可靠性委员会的成员,宽禁带可靠性标准委员会现已并入JEDEC标准委员会,安森美半导体正是可靠性标准委员会的专家之一。

2、高性价比:通过对比SiC MOSFET、Si MOSFET、Si IGBT,不难发现在同样达到1200V击穿电压情况下,硅器件的面积甚至相差100倍,硅基IGBT开关损耗相差10倍。实际上,在替换过程中,硅器件性能还要差很多。

对于SiC,业界很多人都对会被其高昂的单器件价格“劝退”。然而事实上,业界越来越讲求整体方案性能,通过计算不难发现,同样的电源如果替换成SiC方案,其体积、功率密度和整体的BOM都会得到优化。

许多系统工程师也逐渐认识到减少尺寸和冷却要求的重要性,在同样的能源和硬件成本下,他们希望拥有更多的器件以及更广泛的应用设备,例如更高的电压和电流额定值以及更多的封装选项。

之前,21ic家也多次强调,“系统级”成本效益这一概念,且不说在整体上的成本优化, SiC的低发热的寿命延长事实上也是降低成本的一环。

3、车规级:众所周知,汽车对于电源是一大考验,不仅要求非常高的稳定性,对温度和参数上也要求严格。安森美半导体的MOSFET涵盖了市面上所有主流的SiC MOSFET,包括20mΩ、40mΩ、80mΩ、160mΩ,TO247封装,TO247的4条腿以及D2PARK的7条腿封装,并且所有的产品都提供工业规范和汽车规范。值得一提的是,900V的SiC MOSFET拥有20mΩ、60mΩ这种市面的主流规格。

事实上,需要冲击电流也是SiC二极管的一个痛点,这是因为,应用中无论是Boost还是PFC都需要扛住浪涌电流。针对这一点,安森美的SiC则拥有一处贴心的设计,以1200V 15A的碳化硅二极管为例,在毫秒级安森美半导体的的碳化硅二极管有10倍的过滤,在微秒级有50倍的过滤。

另外,行业内很多SiC二极管并不提供雪崩的量,以安森美的1200V 15A SiC二极管为例,雪崩电流接近200A(3500A/c㎡)。

SiC的未来

远观功率半导体的发展历史,从第一阶段的整流管、晶闸管,第二阶段的GTO和BJT,第三阶段的IGBT,第四阶段的功率集成电路PIC和智能功率集成电路SPIC。分立器件逐渐从单一器件转向集成化。但在不断迭代过程中,市场并没有吞并单一器件的市场,而是两者并存。

SiC亦是如此,从特性来说,模块在功率密度、额定功率和热性能实现了应用的最大差异化,这是SiC发展的未来。

而从王利民的观点来看,SiC整个市场则一直是分立器件和模块两者共存的市场。他表示,电动汽车领域SiC MOSFET或二极管市场容量确实是以模块为主,之所以叫模块是因为产品是SiC分立器件和成品封装到模块之中,同时也是一个单管的分立器件的成品。

他强调,未来很多客户也在看向模块,将SiC的晶圆集中到模块中。“我们认为,模块绝对是SiC器件的一个重要方向。”但需要注意的是,模块设计主要集中在比较大的功率上,比如几十千瓦或几百千瓦级别的车载逆变器。

实际上,碳化硅器件还有很多的应用领域,除了电动汽车以外,还有电动汽车上OBC和DC-DC。“通过市场得知,目前几乎所有的设计都以单管为主,因此在汽车领域,我们可以认为一大半的趋势是模块,一小半是单管。”

而非汽车领域,诸如太阳能逆变器、5G及通信电源、电动汽车充电桩,按照市场上来看还没有客户采用模块化的方案,基本都是单管方案。按照数量,市场是以单管为主,按照金额,或许更多市场将会是模块方向。“当然,安森美半导体既提供分立器件也提供模块化产品,对于我们来说,SiC的器件一直都是我们的重点关注”,王利民如是说。

晶圆方面,王利民告诉记者,目前市面上4英寸和6英寸的SiC晶圆几乎占据市场100%,这是因为8英寸SiC晶圆仍然是太过于超前的技术概念,几乎所有厂商都无法处理超薄的超大SiC晶圆进行批量生产。当然,在4英寸和6英寸产能上,此前安森美半导体宽禁带产品线经理Brandon Becker告诉记者,安森美半导体每年的产能都在翻番,以领先于客户的进度计划量。

谈及SiC的发展时,王利民表示,汽车的发展会带动未来的模块增长,而其中最大的增长还是会在主驱模块的市场上。值得一提的是,安森美半导体是提供全生态的,包括提供器件、解决方案、仿真模型以及软件设计等整个一系列的碳化硅生态。而据王利民的介绍,安森美半导体还会持续地、大幅地在碳化硅领域进行投入和生态的建立。
       责任编辑:pj

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