安森美：打造可提供從襯底到模塊的端到端SiC方案供應商

受訪人：安森美首席碳化硅專家，中國汽車OEM技術負責人吳桐博士

1.氮化鎵和碳化硅同屬第三代半導體，在材料特性上有什么相似之處和不同之處？根據其不同的特性，分別適用在哪些應用領域？貴公司目前在SiC和GaN兩種材料的半導體器件方面都有哪些主要的產品？

　　氮化鎵(GaN)和碳化硅(SiC)具有較高的電子遷移率和較高的能帶隙，用它們制成的晶體管具有比硅基晶體管更高的擊穿電壓和更耐受高溫，可以突破硅基器件的應用極限，開關速度更快，導通電阻更低，損耗更小，能效更高。

　　GaN的開關頻率比SiC高得多，而SiC的可靠性高于GaN。SiC通常用于更高壓、更高功率的應用，如太陽能逆變器、電動車充電器和工業(yè)AC-DC等應用。GaN通常用於650 V以下的高開關頻率應用，如蜂窩基站功率放大器、軍用雷達、衛(wèi)星發(fā)射器和通用射頻放大等無線設備中。

　　安森美(onsemi)在收購上游SiC供應企業(yè)GTAT后，實現了產業(yè)鏈的垂直整合，是世界上為數不多能提供從襯底到模塊的端到端SiC方案供應商，包括SiC球生長、襯底、外延、器件制造、同類最佳的集成模塊和分立封裝方案。安森美寬廣的SiC功率器件陣容，包括650 V到1200 V SiC MOSFET、650 V到1700 V SiC二極管、混合SiC模塊和全SiC模塊。安森美已發(fā)布了三代SiC MOSFET，每一代都針對一種特定的應用：M1系列1200 V適用于工業(yè)和汽車應用，針對在20 kHz范圍內運行的最低導通損耗和穩(wěn)定可靠性進行了優(yōu)化；M2系列650 V和900 V涵蓋了同樣的但較低電壓的應用，具有針對這些電壓優(yōu)化的新型單元結構；M3系列1200 V針對快速開關應用。所有器件都已達到最高的可靠性水平，并已完全工業(yè)化。

2.功率器件是第三代半導體的重要應用領域之一，您認為，相比于傳統(tǒng)功率半導體器件，第三代半導體在功率器件應用方面有哪些技術上的優(yōu)勢，又能帶來哪些技術指標方面的突破和新應用的涌現？

　　由于SiC具有更快的開關速度，因此對于某些拓撲結構，可縮減無源元器件如電感器的尺寸以降低系統(tǒng)尺寸和成本。光伏發(fā)電和大規(guī)模儲能變得越來越重要，最終將取代所有的污染性能源。由于可再生能源目前僅占全球總發(fā)電量的一小部分，因此SiC將有長遠的發(fā)展路向。隨著電動車采用率的增加，充電樁將大規(guī)模部署，另外，SiC最終還將成為電動車主驅逆變器的首選材料，因為它可減少車輛的整體尺寸和重量，且能效更高，可延長電池使用壽命。

3.隨著雙碳政策的不斷推進，第三代半導體在節(jié)能增效方面能夠帶給相關的系統(tǒng)哪些全新的競爭優(yōu)勢，貴公司有哪些與第三代半導體功率器件相關的方案可以助力系統(tǒng)的節(jié)能增效？

　　SiC是推動新能源系統(tǒng)發(fā)展的重要賦能者，應用領域非常廣泛，包括但不限于電動汽車、逆變器、充電器、可再生能源、光伏、云計算、專業(yè)音頻、專業(yè)照明、醫(yī)療、電動工具、電器、電機等等，且在中國政府推進十四五規(guī)劃的背景下，SiC將在可再生能源、新能源汽車及充電樁等新基建設計中發(fā)揮重要作用。SiC用于汽車主驅、OBC、DC-DC，可大幅提高能效，增加續(xù)航能力；SiC用于充電樁，可滿足越來越高的功率和速度要求；SiC用于光伏逆變器將顯著提升能效和功率密度。

　　安森美的SiC策略側重于電動車及充電樁、可再生能源等領域，提供650 V到1200 V SiC MOSFET、650 V到1700 V SiC二極管、混合SiC模塊和全SiC模塊。相比于其他廠家，安森美的SiC器件雪崩能量更高，損耗更小，因其使用更大尺寸的die，從而降低Rdson。安森美最新發(fā)布的全球首款TOLL封裝的SiC MOSFET NTBL045N065SC1，比D2PAK封裝尺寸小60%，增強性能并降低損耗，適用于要求嚴苛的應用，包括開關電源(SMPS)、服務器和電信電源、光伏逆變器、不間斷電源(UPS)和儲能，適用于需要滿足最具挑戰(zhàn)性的能效標準的設計，包括ErP和80 PLUS Titanium能效標準。安森美針對汽車主驅逆變的VE TracTM Direct SiC和VE-TracTM B2 SiC方案采用穩(wěn)定可靠的平面SiC技術，結合燒結技術和壓鑄模封裝，為汽車主驅帶來領先同類的性能。

圖：全球首款TOLL封裝的SiC MOSFET

圖：VE TracTM Direct SiC(左)和VE TracTM B2 SiC(右)

4.新能源汽車和充電樁，也是第三代半導體的主要應用領域之一，您認為，在這兩個方面，第三代半導體主要的技術應用優(yōu)勢有哪些？對系統(tǒng)的效率和性能，又能帶來哪些新的提升以及新應用的可能？

　　SiC MOSFET的優(yōu)點是高壓器件的導通電阻相對而言比較低，開關速度比較快。高壓小電流的情況下，導通電阻比較低，從而提升能效，特別適用于電動車逆變器、車載充電(OBC)、DC-DC和直流快速充電樁，尤其是在800 V系統(tǒng)中，當功率超過150 KW以上時，SiC的優(yōu)勢特別明顯，使得整車效率的提升，可以使得電動車的里程提升或者是減小電池的容量。減小的電池容量可以抵消由於SiC和Si功率元件的價差帶來的成本上升。

5.隨著第三代半導體材料的推廣應用，碳化硅未來還將可能在哪些領域嶄露頭角？貴公司有哪些產品和方案？

　　隨著技術的成熟和成本問題的解決，電動車及其車載充電器和其他車載電源系統(tǒng)對SiC的需求將越來越大。由儲存在儲能系統(tǒng)中的太陽能和風能支持的電動車充電基礎設施將由電動車的強勁增長所推動。機器學習、云計算和在線服務需求帶來的數據中心增長，將推動這些數據中心使用基于SiC的更可靠的UPS。安森美提供高能效、高性能的SiC方案，滿足這些不同應用的需求。

6.您認為隨著成本的下降，未來碳化硅在中低功率領域能否完全替代二極管、IGBT、MOSFET等硅基功率器件？在功率器件的工藝上第三代半導體帶來了哪些改變？

　　目前來看，在不同的細分市場，SiC跟硅基器件是一個很好的互補，也是價錢vs.性能的一個平衡。隨著第三代半導體的成熟，以及成本的降低，最終會慢慢取代硅基產品成為主流方案。SiC芯片可以工作在更高的溫度(175℃至200℃)，結溫超過175℃的SiC方案將能在更高的功率密度下工作，從而比其硅基替代方案的性價比更高，有助于使系統(tǒng)設計人員能夠更靈活地選擇滿足應用需求的最高性價比的方案。