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當下，以碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）為代表的寬禁帶半導體功率器件正在興起。與傳統的硅器件相比，寬禁帶半導體功率器具備很多優點，如功率密度高、效率高、尺寸小、耐高溫等優勢。兩者之中，SiC器件更加成熟，已經在很多領域得到了應用。近日，功率半導體主要廠商之一安森美半導體公司電源方案部產品市場經理王利民先生向我們介紹了安森美半導體的SiC器件的優點和應用。 高性價比與高可靠性 王利民介紹說，碳化硅器件具備良好的高壓、高頻、高效率特性。普通硅器件若要做出碳化硅MOSFET的Rds-on和開關損耗，需要100倍硅MOSFET的面積。同樣的面積，硅IGBT相對的內阻或壓降要高3到5倍，開關損耗大致要高至少10倍以上。所以，在高壓領域，碳化硅MOSFET以及碳化硅的二極管都是非常理想的開關器件。 與硅器件相比，安森美半導體的碳化硅方案具備很好的性價比。同樣的電源，如果替換成碳化硅方案，其體積、功率密度以及整體BOM成本都會得到優化。例如，對于十幾千瓦的升壓或PFC或升壓應用，碳化硅MOSFET不僅效率會大幅度提高，總成本也會比IGBT方案低。 王利民說，與同行相比，安森美半導體的碳化硅器件也具有卓越的成本結構。為實現高性價比，安森美半導體一是通過設計、技術進步來降低成本，二是通過領先的6英寸晶圓的制造以及最好的良率來達到好最低的成本，三是通過不斷擴大生產規模來降低成本。將來，較小生產規模的廠家很難參與競爭。 同時，安森美半導體的碳化硅器件具備全球領先的可靠性。高可靠性是通過安森美半導體專有、獨立的晶圓設計實現的。安森美半導體的晶圓設計獨一無二的，包括一些端接設計。 再來看實際表現。在下圖所示的H3TRB測試（高溫度/濕度/高偏置電壓）中，安森美半導體的碳化硅二極管可以通過1000小時的可靠性測試。實際測試中，測試會延長到2000小時，這大幅領先于市場的可靠性水平。王利民說，安森美半導體曾經是JEDEC可靠性委員會的成員，寬禁帶可靠性標準委員會現已并入JEDEC標準委員會。 
圖：安森美半導體的碳化硅器件與競品的H3TRB測試結果 重點市場：汽車、新能源、5G電源 王利民說，安森美半導體的碳化硅戰略會側重在電動汽車、電動汽車充電樁、新能源以及5G通信電源等設備上。 汽車領域包含兩大方面，一是電動汽車和混動汽車的主驅逆變器(Traction Inverter)，以及車載充電器(OBC)和DC-DC。二是電動汽車充電樁。 電動汽車會是未來碳化硅的主要驅動力之一，占整個碳化硅總體市場容量的約60%。碳化硅器件可大幅度提高轉換效率，進而增加電動汽車的續航能力。王利民說，目前幾乎所有做主驅逆變器的廠家都以研究碳化硅做主驅為方向。在OBC和DC-DC領域，絕大部分廠家是也使用碳化硅器件作為高效、高壓和高頻率的功率器件。 至于充電樁，王利民說，現在消費者最感興趣的是直流快充，它需要非常大的充電功率以及非常高的充電效率，這些都需要通過高電壓來實現。目前有很多使用主開關的碳化硅MOSFET電動汽車充電樁方案，其應用前景非常廣闊。 在汽車領域，安森美半導體提供整套方案，包括單管方案、模塊方案，以及各種電動車和混動車的車載充電器方案，并可提供整套電路圖紙、BOM以及實際的實物。 安森美半導體第二個碳化硅戰略市場是5G電源和開關電源（SMPS）領域。開關電源一直追求高功率密度，從最早通信電源的金標、銀標，到現在5G通信電源和云數據中心電源，這些都對于高能效有非常高的要求。碳化硅器件沒有反向恢復，使得電源能效非常高，可達到98%的能效。 在新能源領域，王利民說，太陽能逆變器中碳化硅二極管的用量非常巨大，每年太陽能逆變器的安裝量也在持續增長，預計未來10-15年將會有15%的能源（目前是1%）來自太陽能。隨著現在太陽能逆變器成本的優化，我們已經能看到不少廠家會使用碳化硅的MOSFET作為主逆變的器件，來替換原來的三電平（逆變器）控制復雜電路。 全部車規 安森美半導體提供的碳化硅二極管和MOSFET芯片和模塊全部符合汽車標準，有多種電壓、電流和封裝選擇。安森美半導體提供的二極管包括1200V、650V第1.0代、650V第1.5代和1700V產品。 碳化硅二極管能夠耐受非常大的沖擊電流。以1200V 15A的碳化硅二極管為例，安森美半導體的的碳化硅二極管在毫秒級有10倍的過濾，在微秒級有50倍的過濾。針對電動車主驅或者馬達驅動的應用里對于碳化硅二極管雪崩的要求，安森美半導體的碳化硅二極管具有雪崩量，如1200 V 15A SiC 二極管的雪崩電流接近200 A (3500 A/cm2)。 安森美半導體的MOSFET幾乎涵蓋了市面上所有主流的碳化硅MOSFET，包括電壓1200V、內阻20/40/80/160mΩ、封裝形式TO247、TO247的4條腿以及D2PARK的7條腿的產品。另外該公司還有900V的碳化硅MOSFET，包括20mΩ和60mΩ市場主流規格。 最后，王利民總結說，安森美半導體的碳化硅產品方案具備三大重要特性：世界領先的可靠性、高性價比、所有的碳化硅器件均滿足汽車規范。 |
