未来8年SiC以16%高速增长，英飞凌 CoolSiC MOSFET以技术取胜

相对于 Si 材料，SiC 在带隙、击穿场强、电子迁移率、热导率和电子漂移率等参数上都具优势，在工业电源、光伏、充电桩、不间断电源系统，以及能源储存领域的应用快速增长。根据 HIS 的市场预测，从 2020 年到 2028 年，650V SiC MOSFET 的年度复合增长率高达 16%，2020 年市场份额接近 5000 万美元，到 2028 年市场份额将会达到 1 亿 6000 万美元。

英飞凌科技电源与传感系统事业部大中华区开关电源应用高级市场经理陈清源

作为功率器件的重要供应商，英飞凌已将在 SiC 领域有超过 10 年的技术积累。近期，英飞凌推出了 650 V CoolSiC™ MOSFET 系列产品，该系列产品的额定值在 27 mΩ-107 mΩ之间，既可采用典型的 TO-247 3 引脚封装，也支持开关损耗更低的 TO-247 4 引脚封装。与过去发布的所有 CoolSiC™ MOSFET 产品相比，全新 650V 系列通过最大限度地发挥碳化硅强大的物理特性，确保了器件具有出色的可靠性、出类拔萃的开关损耗和导通损耗。此外，它们还具备最高的跨导水平（增益）、4V 的阈值电压（Vth）和短路稳健性。

在电源市场，功率器件的可靠度是一项重要考核指标，一般应用于通讯电源市场的产品需要满足十年以上适用期限，服务器和资料中心也需要工作 5 年 -10 年。英飞凌针对 SiC 产品的可靠度做了深度优化，增加了栅极氧化层的可靠度。据英飞凌科技电源与传感系统事业部大中华区开关电源应用高级市场经理陈清源介绍，“该系列之所以可以实现更高的可靠性、更好的开关损耗和导通损耗，是因为该系列产品采用了英飞凌先进的沟槽半导体技术，可以在毫不折衷的情况下，在应用中实现最低的损耗，并在运行中实现最佳可靠性。”

沟槽式是未来的趋势

目前在 SiC 的前端工艺上有两种主流技术，一个是平面式，一个是沟槽式，平面式在导通状态下，性能与栅极氧化层可靠性之间需要进行折衷；沟槽式更容易达到性能要求而不偏离栅极氧化层的安全条件。陈清源强调，“英飞凌的 CoolSiC MOSFET 采取了沟槽式，我们在沟槽式技术领域有二十年的研发经验，积累了大量专业技术，采用沟槽式设计可以达到更好的性能可靠度。以 SiC MOS 为例，在同样的可靠度上面，沟槽式 SiC 设计远比平面式 SiC MOS 拥有更高的性能，我们认为沟槽式是未来的趋势。”

在数据中心应用中，如果用户对性能的要求更好，陈清源建议，无论是 PFC，还是 LLC 全部采用我们的碳化硅的解决方案。无论是 PFC 达到效率值 99%，还是 LLC 达到 99%，整个系统的效率会达到 98%，这也是以前所做不到的。

采用图腾柱结构，有效提升效率

IGBT 与 CooIMOS 接近，为了防止“误导通”，英飞凌把 V_GS重新设计到大于 4V，可以降低噪音导致的“误导通”，采用了特殊的拓扑，例如 CCM 图腾柱的拓扑。关于图腾柱的应用，陈清源解释，其实就是桥式拓扑结构，在高压的电源转换里面其实并不是很新的结构。这种结构在低压的电源转换里面很常见，但在高压电源转换中，受限于现在一些器件所谓的“反向恢复特性”。比如，在大功率转换里面常用的超级结的硅器件，它的“反向恢复特性”一般很难在大功率情况下采用图腾柱的结构工作。

碳化硅材料本身的“反向恢复速度”特别快，采用图腾柱结构，如果处于“软开关”时，或者由于一些条件导致体二极管会导通电流，又突然再反向，新材料比常见的硅材料反向恢复速度会快很多。这种情况下，在很多大功率电源转换时，就可以用到以前在超级结时无法使用的图腾柱结构，这种结构的主要优势就是提高了功率密度以及效率。目前采用图腾柱的 3kW PFC 在 220 伏的输入条件下，可以做到（满载）98%以上甚至 98.5%以上的效率。

另外对于硬换向的拓扑，有 Q_rr和 Q_oss两个重要的参数，英飞凌的 CoolMOS 系列里有快速二极管，有了 SiC 之后，Q_rr是远低于 Si 器件的体二极管。如上图，在 Q_oss的参数也更低。因此，在硬换向的拓扑中可以达到更高的效率。对比其他厂商的 SiC MOSFET，其 R_DS(on)*Q_rr、 R_DS(on)*Q_oss参数的值都比英飞凌的产品高。由这一例子可以看出，英飞凌的 SiC 在图腾柱的 PFC 设计中可以达到很高的效率。

以 48 mΩ、72 mΩ、107 mΩ图腾柱设计为例，搭配英飞凌 CFD7 的 S7 系列。48 mΩ时，在 PFC 上的效率达到 99%。陈清源强调，“以硅技术很难做到。该系列配合英飞凌的驱动 IC 可以更好地优化整体性能，设计稳定性更好。”

放宽V_GS电压范围，增强抗雪崩能力

在电源的应用中会存在电源不稳定因素，可能会超过额定电压 650V，造成器件损坏，因此需要功率器件具有抗雪崩能力。陈清源表示，“相对于传统硅，在设计上面设计上，英飞凌把 V_GS电压范围放宽，在 0V 电压可以关断 V_GS，不会出现负电压。如果是氮化镓出现负电压会造成整个电路的负担，在设计上也出现压力。我们在 SiC 碳化硅技术上，兼顾性能、稳定和坚固性考量，方便了设计和使用。”

如上图，将 CoolSiC、CoolGaN 和 CoolMOS 的物理特性进行比较，在 25℃时，三者的导通电阻取值一样；在 100℃时，CoolSiC 比 CoolGaN 低 26%，比 CoolMOS 低 32%。这表明，在高温状态下，SiC 的效能远比 GaN 和 Si 好；另外，CoolSiC 还可以降低设计成本。

对于 SiC 产品，良率低是阻碍其发展的一大屏障，英飞凌的 SiC 产品良率是否也存在这样的问题？ 陈清源强调，“英飞凌有自己的生产线，目前是 6 寸的工艺，8 寸工艺在规划中，我们可以根据产能的需求调整，我们的产品良率事实上已经掌握到不错的水平，毕竟我们在沟槽式设计上已经做了 20 年的 CoolSiC  MOSFET。”