英飛凌新一代650V碳化硅MOSFET的性能和應(yīng)用分析

2020年2月，碳化硅的領(lǐng)導(dǎo)廠商之一英飛凌祭出了650V CoolSiC? MOSFET，帶來(lái)了堅(jiān)固可靠性和高性能。它是如何定義性能和應(yīng)用場(chǎng)景的？下一步產(chǎn)品計(jì)劃如何？碳化硅業(yè)的難點(diǎn)在哪里？為此，電子產(chǎn)品世界等媒體視頻采訪了英飛凌科技電源與傳感系統(tǒng)事業(yè)部大中華區(qū)開(kāi)關(guān)電源應(yīng)用高級(jí)市場(chǎng)經(jīng)理陳清源先生。

英飛凌科技 電源與傳感系統(tǒng)事業(yè)部大中華區(qū) 開(kāi)關(guān)電源應(yīng)用高級(jí)市場(chǎng)經(jīng)理 陳清源

據(jù)悉，此次英飛凌推出了8款650V CoolSiC? MOSFET產(chǎn)品，采用2種插件TO-247封裝，既可采用典型的TO-247 三引腳封裝，也支持開(kāi)關(guān)損耗更低的TO-247 四引腳封裝（如下圖）。

從靜態(tài)導(dǎo)通電阻 R_DS(on) 的角度來(lái)看，英飛凌有4款產(chǎn)品：(27~107)mΩ。當(dāng)然這是第一個(gè)階段，接下來(lái)，英飛凌會(huì)再推出更多的封裝（例如SMD封裝）來(lái)滿足不同領(lǐng)域的應(yīng)用。

目前該產(chǎn)品的目標(biāo)市場(chǎng)，主要是服務(wù)器/數(shù)據(jù)中心用的電源，還有通訊電源，例如4G、5G的大基站、小基站用電源，此外，還有工業(yè)電源、光伏、充電樁、UPS（不間斷電源系統(tǒng)），以及能源儲(chǔ)存。這些目標(biāo)市場(chǎng)今后增長(zhǎng)都將非?？焖佟?/p>

1 應(yīng)該具備哪些功能和性能

上文所述的電源設(shè)計(jì)，要考慮到堅(jiān)固性和可靠性。例如通訊電源往往需要使用10年以上，服務(wù)器與數(shù)據(jù)中心也大概要5~10年。另外，應(yīng)用工程師對(duì)于碳化硅可能沒(méi)那么熟悉，所以在碳化硅的設(shè)計(jì)上，也要做到易用性。在技術(shù)指標(biāo)上，需要熱導(dǎo)系數(shù)優(yōu)良，適合高溫場(chǎng)景，柵極氧化層采用溝槽形式以提升可靠性。

1）如何支持堅(jiān)固性和可靠性

?   新產(chǎn)品在柵極氧化層的可靠度方面做了很多優(yōu)化。因此，它目前的堅(jiān)固度已經(jīng)很成熟了，媲美IGBT與CooIMOS的FIT率。

?   為了防止“誤導(dǎo)通”，英飛凌把 V_GS(TH) 重新設(shè)計(jì)在大于4V上，這樣可以降低一些噪音進(jìn)來(lái)而引發(fā)的“誤導(dǎo)通”。

?   在一些特殊的拓?fù)?，例如CCM圖騰柱的拓?fù)?，有硬換向的體二極管。

?  抗雪崩方面，由于電源的應(yīng)用環(huán)境可能會(huì)出現(xiàn)雜訊，或電源電壓不穩(wěn)定（可能會(huì)超過(guò)額定電壓650V），所以新產(chǎn)品具有抗雪崩能力，以防止不適當(dāng)使用所造成的器件或電源的損壞。

?   有抗短路的能力。

2）易用性

憑借以往與業(yè)界電源的領(lǐng)導(dǎo)廠商合作，英飛凌把 V_GS 電壓范圍放寬。在0V電壓可以關(guān)斷 V_GS ，就不會(huì)到負(fù)電壓，因此不會(huì)像氮化鎵要做一個(gè)負(fù)電壓，造成整個(gè)電路的負(fù)擔(dān)。

那么，如何實(shí)現(xiàn)上述特點(diǎn)？650V CoolSiC? MOSFET做了如下工作。

1）碳化硅的熱導(dǎo)系數(shù)優(yōu)良，適合高溫場(chǎng)景

碳化硅比硅和氮化鎵的熱導(dǎo)系數(shù)好。例如在100℃的 R_DS(on) 變化，碳化硅比硅少了32%，比氮化鎵少了26%。好處是可以降低用戶的設(shè)計(jì)成本，這也是為什么碳化硅往往被用于高溫場(chǎng)景的原因（如下圖）。

2）柵極氧化層采用溝槽式，以提高性能和可靠性

柵極氧化層是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一。在碳化硅的前端工藝方面，業(yè)界主要有2種方法：平面式，溝槽式。英飛凌采用的是溝槽式。因?yàn)闇喜凼绞俏磥?lái)的大勢(shì)所趨：平面式在導(dǎo)通狀態(tài)下，性能與可靠性之間需要很大的折衷；溝槽式更容易達(dá)到性能要求而不偏離柵極氧化層的安全條件。

不過(guò)，溝槽式的生產(chǎn)會(huì)更為復(fù)雜，因?yàn)樗臇艠O氧化層比較薄，需要兼顧耐用性。然而，英飛凌已有20年的碳化硅的經(jīng)驗(yàn)積累，無(wú)論是控制良率，還是控制穩(wěn)定性，都很有經(jīng)驗(yàn)。

3）適合硬換向的拓?fù)洌梢赃_(dá)到更高的效率

對(duì)于硬換向的拓?fù)?，?Q_rr和Q_oss兩個(gè)重要的參數(shù)。英飛凌的Qrr是遠(yuǎn)低于硅器件的體二極管。Q_oss的參數(shù)更低（如下圖）。

值得一提的是，其他友商的產(chǎn)品也會(huì)涉及到R_DS(on)*Q_rr， R_DS(on)*Q_oss。但英飛凌的參數(shù)值最低，可見(jiàn)英飛凌在此技術(shù)上是領(lǐng)先的。甚至有些供應(yīng)商不標(biāo)明R_DS(on)*Q_rr和R_DS(on)*Q_oss，這會(huì)對(duì)工程師在設(shè)計(jì)上造成很大的困難。

4）PFC圖騰柱可提高功率密度及效率

因?yàn)樵?nbsp;Q_rr和Q_oss等參數(shù)上的值更小，所以新的650V CoolSiC? MOSFET非常適合CCM PFC圖騰柱等硬換向拓?fù)?，可以達(dá)到很高的效率，例如用了48mΩ，效率可以在PFC達(dá)到 99%。而以往的硅技術(shù)，是很難做到的。

實(shí)際上，圖騰柱在高壓電源轉(zhuǎn)換里并不是很新的結(jié)構(gòu)，就是橋式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)在低壓的電源轉(zhuǎn)換里是很常見(jiàn)的。但在高壓里，則受限于常用的一些器件所謂的“反向恢復(fù)特性”，例如大功率轉(zhuǎn)換里常用的超級(jí)結(jié)的硅器件。

而現(xiàn)在的新材料，例如碳化硅，本身的“反向恢復(fù)速度”很快，在用這種圖騰柱結(jié)構(gòu)時(shí)，如果是處于“軟開(kāi)關(guān)”的情況之下，或者由于一些條件導(dǎo)致體二極管導(dǎo)通電流，又會(huì)突然再反向，這時(shí)，碳化硅比常見(jiàn)的硅材料“反向恢復(fù)速度”快很多，就可以用到以前在超級(jí)結(jié)時(shí)無(wú)法使用的圖騰柱結(jié)構(gòu)。

那么，圖騰柱能提供多高的功率效率？這要看在什么樣的電壓條件及功率范圍。目前圖騰柱做的3kW PFC在220V的輸入條件下，可以輕松做到（滿載）98%以上甚至98.5%以上的效率。

5）若配合英飛凌的驅(qū)動(dòng)IC，可以讓整個(gè)性能更加優(yōu)化，設(shè)計(jì)的穩(wěn)定度更好。當(dāng)然，如果有的客戶基于成本的考量，不需要到99%，只要97%、96%就足夠了，英飛凌還有其它的選項(xiàng)，例如72mΩ、107mΩ等（如下圖）。

2 應(yīng)用案例

650V CoolSiC? MOSFET適合應(yīng)用在哪些場(chǎng)景呢？以下介紹大型數(shù)據(jù)中心、5G小基站、其它儲(chǔ)能系統(tǒng)。

1）大型數(shù)據(jù)中心

大型數(shù)據(jù)中心的標(biāo)準(zhǔn)功率密度約是平均每個(gè)機(jī)架3kW。系統(tǒng)廠商希望效率越高越好，通常要超過(guò)96%。因?yàn)槌讼到y(tǒng)穩(wěn)定度外，還有散熱的費(fèi)用。

英飛凌的解決方案：第一個(gè)是采用CCM圖騰柱PFC，加上LLC軟開(kāi)關(guān)的切換（如下圖）。圖騰柱部分用碳化硅，因?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)的效率只要求到96%，所以可以選性價(jià)比優(yōu)化的CoolMOSTM第七代LLC。前文提到PFC可以達(dá)到99%，用了LLC的架構(gòu)（可以達(dá)到97%），所以整體效率可以達(dá)到96%。

第二個(gè)方案是：如果客戶的要求更高，也可以全部用碳化硅（PFC和LLC）。所以無(wú)論是PFC還是LLC，效率都達(dá)到99%，整個(gè)系統(tǒng)的效率會(huì)達(dá)到98%，這是以前所達(dá)不到的。

2）5G電源的小基站

小基站通常在室外，很少有人去維護(hù)，也沒(méi)有風(fēng)扇；而且電源功率很高，電源的瓦特?cái)?shù)一般在300~1300W。這對(duì)于有高堅(jiān)固性、可靠性和良好散熱性的碳化硅產(chǎn)品十分適合。      

在散熱方面，碳化硅的散熱系數(shù)比硅優(yōu)越約3倍，所以溫升會(huì)更低。

英飛凌推薦的方案，PFC還是用圖騰柱的設(shè)計(jì)。LLC為97%，整體效率還是96%。這是在平衡它的性能之后達(dá)到96%（如下圖）。而且它的適用環(huán)境、溫度范圍比較寬，可能在戶外是零下攝氏度，可能工作溫度會(huì)上升到100℃。

3）其它儲(chǔ)能系統(tǒng)

它們的瓦特?cái)?shù)從(1~50)kW。在設(shè)計(jì)方面，因?yàn)橐恍┊a(chǎn)品要放在家里（如下圖），也希望將體積做小，將效率提高。碳化硅也有望應(yīng)用進(jìn)來(lái)，優(yōu)勢(shì)是效率高、體積小、外部零件少。

3 產(chǎn)品規(guī)劃：將出爐SMD等封裝型號(hào)

英飛凌的650V碳化硅產(chǎn)品兼顧高性能、堅(jiān)固性和易用性的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

CoolSiC MOSFET現(xiàn)在只有8款產(chǎn)品，預(yù)計(jì)在2021會(huì)有新產(chǎn)品，會(huì)擴(kuò)展到50個(gè)型號(hào)以上，以滿足在不同的應(yīng)用場(chǎng)景，可選擇不同的封裝。

那么，英飛凌在未來(lái)的新產(chǎn)品中，為何要推出新的SMD封裝？因?yàn)镾MD封裝是適應(yīng)目前開(kāi)關(guān)電源領(lǐng)域高功率密度暨小型化的發(fā)展趨勢(shì)，可進(jìn)一步減小產(chǎn)品的尺寸。SMD封裝的技術(shù)難點(diǎn)在于如何將功率半導(dǎo)體產(chǎn)生的熱有效地散掉，一般地，SMD封裝的有效散熱面積相比傳統(tǒng)插件封裝會(huì)更小，這意味著散熱會(huì)更加困難。因此如何在有限地尺寸小將熱散出去，如何減小熱路熱阻，增加散熱路徑等是難點(diǎn)。

４　碳化硅的業(yè)界挑戰(zhàn)

１）需要馬拉松式的持續(xù)投資

碳化硅領(lǐng)域有很多競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，包括中國(guó)新興的本土競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。對(duì)于碳化硅行業(yè)，如何能持續(xù)投入高資金成本是個(gè)挑戰(zhàn)。因?yàn)檫@是一場(chǎng)長(zhǎng)期的馬拉松賽，甚至是超級(jí)馬拉松。

英飛凌的優(yōu)勢(shì)是除了在電源領(lǐng)域經(jīng)營(yíng)了多年，而且在硅、碳化硅領(lǐng)域投資了多年，累積的專業(yè)技術(shù)知識(shí)和能力很多。   

２）６英寸是主流，多家供應(yīng)商供貨

目前碳化硅的主流工藝是6英寸，8英寸碳化硅晶圓的生產(chǎn)目前還在規(guī)劃中，短期可能還沒(méi)有8英寸的需求。

在產(chǎn)能方面，碳化硅的襯底產(chǎn)能在業(yè)界很緊俏。為了保障供貨的穩(wěn)定安全，英飛凌對(duì)上游選取多個(gè)供應(yīng)商。例如襯底，有5家供應(yīng)商，有日本和美國(guó)的供應(yīng)商，例如科銳（Cree）。