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(fǎng)人：安森美首席碳化硅專(zhuān)家，中國汽車(chē)OEM技術(shù)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(lǐng)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(chǎn)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(kāi)關(guān)速度更快，導通電阻更低，損耗更小，能效更高。

　　GaN的開(kāi)關(guān)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(yáng)能逆變器、電動(dòng)車(chē)充電器和工業(yè)AC-DC等應用。GaN通常用於650 V以下的高開(kāi)關(guān)頻率應用，如蜂窩基站功率放大器、軍用雷達、衛星發(fā)射器和通用射頻放大等無(wú)線(xiàn)設備中。

　　安森美(onsemi)在收購上游SiC供應企業(yè)GTAT后，實(shí)現了產(chǎn)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(cháng)、襯底、外延、器件制造、同類(lèi)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(chē)應用，針對在20 kHz范圍內運行的最低導通損耗和穩定可靠性進(jìn)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(kāi)關(guān)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(lǐng)域之一，您認為，相比于傳統功率半導體器件，第三代半導體在功率器件應用方面有哪些技術(shù)上的優(yōu)勢，又能帶來(lái)哪些技術(shù)指標方面的突破和新應用的涌現？

　　由于SiC具有更快的開(kāi)關(guān)速度，因此對于某些拓撲結構，可縮減無(wú)源元器件如電感器的尺寸以降低系統尺寸和成本。光伏發(fā)電和大規模儲能變得越來(lái)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(cháng)遠的發(fā)展路向。隨著(zhù)電動(dòng)車(chē)采用率的增加，充電樁將大規模部署，另外，SiC最終還將成為電動(dòng)車(chē)主驅逆變器的首選材料，因為它可減少車(chē)輛的整體尺寸和重量，且能效更高，可延長(cháng)電池使用壽命。

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

　　SiC是推動(dòng)新能源系統發(fā)展的重要賦能者，應用領(lǐng)域非常廣泛，包括但不限于電動(dòng)汽車(chē)、逆變器、充電器、可再生能源、光伏、云計算、專(zhuān)業(yè)音頻、專(zhuān)業(yè)照明、醫療、電動(dòng)工具、電器、電機等等，且在中國政府推進(jìn)十四五規劃的背景下，SiC將在可再生能源、新能源汽車(chē)及充電樁等新基建設計中發(fā)揮重要作用。SiC用于汽車(chē)主驅、OBC、DC-DC，可大幅提高能效，增加續航能力；SiC用于充電樁，可滿(mǎn)足越來(lái)越高的功率和速度要求；SiC用于光伏逆變器將顯著(zhù)提升能效和功率密度。

　　安森美的SiC策略側重于電動(dòng)車(chē)及充電樁、可再生能源等領(lǐng)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(chǎng)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(kāi)關(guān)電源(SMPS)、服務(wù)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(mǎn)足最具挑戰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(chē)主驅逆變的VE TracTM Direct SiC和VE-TracTM B2 SiC方案采用穩定可靠的平面SiC技術(shù)，結合燒結技術(shù)和壓鑄模封裝，為汽車(chē)主驅帶來(lái)領(lǐng)先同類(lèi)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(chē)和充電樁，也是第三代半導體的主要應用領(lǐng)域之一，您認為，在這兩個(gè)方面，第三代半導體主要的技術(shù)應用優(yōu)勢有哪些？對系統的效率和性能，又能帶來(lái)哪些新的提升以及新應用的可能？

　　SiC MOSFET的優(yōu)點(diǎn)是高壓器件的導通電阻相對而言比較低，開(kāi)關(guān)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(dòng)車(chē)逆變器、車(chē)載充電(OBC)、DC-DC和直流快速充電樁，尤其是在800 V系統中，當功率超過(guò)150 KW以上時(shí)，SiC的優(yōu)勢特別明顯，使得整車(chē)效率的提升，可以使得電動(dòng)車(chē)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(jià)差帶來(lái)的成本上升。

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

　　隨著(zhù)技術(shù)的成熟和成本問(wèn)題的解決，電動(dòng)車(chē)及其車(chē)載充電器和其他車(chē)載電源系統對SiC的需求將越來(lái)越大。由儲存在儲能系統中的太陽(yáng)能和風(fēng)能支持的電動(dòng)車(chē)充電基礎設施將由電動(dòng)車(chē)的強勁增長(cháng)所推動(dòng)。機器學(xué)習、云計算和在線(xiàn)服務(wù)需求帶來(lái)的數據中心增長(cháng)，將推動(dòng)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(mǎn)足這些不同應用的需求。

6.您認為隨著(zhù)成本的下降，未來(lái)碳化硅在中低功率領(lǐng)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(lái)了哪些改變？

　　目前來(lái)看，在不同的細分市場(chǎng)，SiC跟硅基器件是一個(gè)很好的互補，也是價(jià)錢(qián)vs.性能的一個(gè)平衡。隨著(zhù)第三代半導體的成熟，以及成本的降低，最終會(huì )慢慢取代硅基產(chǎn)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(guò)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?xún)r(jià)比更高，有助于使系統設計人員能夠更靈活地選擇滿(mǎn)足應用需求的最高性?xún)r(jià)比的方案。