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文章来源:21中国电子网

作者:付斌

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。

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,现在这个第三代半导体材料发展现状如何了?21ic中国电子网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,安森美半导体的愿景是未来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。

电动汽车(EV):

安森美半导体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。

而安森美半导体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。

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。

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。


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