从Si到SiC：如何迈好功率电子技术升级的这一步？

如果说在2020年，GaN（氮化镓）凭借着向手机快充市场的渗透火了一把，成为当年宽禁带（WBG）半导体界的“网红”，到了2021年，市场的焦点则转到了另一个宽禁带半导体“新宠”SiC（碳化硅）身上，这是因为从特斯拉这种新能源汽车的新锐公司到传统的老牌车企，都不约而同地宣布了将纯电动汽车电驱系统从硅基逆变器升级为SiC逆变器的计划，并由此引发了全球范围内的SiC器件“抢芯大战”。

众所周知，在功率电子领域，Si器件的性能已经越发接近理论极限，后继能够为用户提供的“红利”也越来越有限，因此尽快让宽禁带半导体材料接棒，推动功率电子器件来一次“质”的迭代升级，已经是整个行业的大势所趋。

图1：Si、SiC和GaN材料特性比较（图源：安森美）

从图1中可以看出，作为宽禁带半导体材料家族中的一员，SiC的禁带宽度高达3.26 eV，是Si材料（1.12 eV）的3倍，这意味着将SiC材料电子从价带移动到导带所需的能量约为Si材料的3倍，因此用SiC制成的器件可以承受更高的击穿电压，其介电击穿场强是Si的10倍。而更高的击穿场强，有利于降低在相同额定电压下器件的“厚度”，从而降低器件的导通电阻，并提高其电流承载能力——以上这些特性，正是很多功率电子器件梦寐以求的。

同时，SiC的电子饱和速度比Si材料高2倍，这个数值越高，功率器件的开关速度可以做得越快，这就使得高压下的高频操作所需的驱动功率更小，相应的能量损耗也更低。而且从系统的角度来看，高频开关电路允许使用更小型化的外围器件，使得整个功率电子系统设计更为紧凑，这可谓是一石二鸟。

再有，SiC的热导率是Si的3倍，在给定的功耗下，较高的导热率意味着较低的温升，这使得SiC器件具有更佳的热性能表现，可以支持更高的功率密度。与其他材料相比，SiC可以实现600°C的结温，因此采用键合和封装技术，在商用的SiC器件中确保支持150°C至200°C的高工作温度显然是游刃有余。

图2：SiC技术在功率电子应用中的优势（图源：安森美）

正是因为具有上述这些特性优势，SiC成为了助力功率电子系统实现更高功率密度、更高开关速度、更低功率损耗、更高工作温度、更小系统尺寸和成本的理想“人选”。

尽管目前由于制造工艺的特殊性，提升SiC器件的良率和产能仍是一个不小的挑战，SiC器件的成本也比较高，但是从系统的角度来看，在替代Si器件之后，由于可以实现更小的封装尺寸和成本、提高系统的整体能效，因此综合成本评估下来仍然是很划算的。比如在电动汽车电驱逆变器方面有人测算过，使用SiC功率器件后可以让整车功耗减少5%-10%，虽然逆变器模组的成本会增加，但是综合来讲电池成本、散热成本，以及空间使用成本都会显著降低，因而整车成本可以节省约2,000美元。这就不难理解为什么新能源汽车圈会对SiC投入如此大的热情了。

理想的功率开关器件

功率电子系统的目的，就是对高电压、大电流的高功率能量进行高效的控制和传输。因此在人们的心目中，一款理想的功率电子开关器件应该满足三个要求：足够高的耐压、尽可能低的导通电阻，以及更高的开关速度。

为此，人们利用Si材料打造出了两款功率开关器件：MOSFET和IGBT。这两种器件各具特点，不过受制于Si材料特性，他们距离“理想”功率开关器件的目标还有距离。

具体来讲，硅基MOSFET的优点是开关速度较高（可达到数百kHz），但是导通电阻较大，恢复损耗也比较大。而且受制于Si材料的特性，其耐压一般局限在1,000V以内，因此在高压、高功率的应用中难于胜任。

而与MOSFET相比，IGBT可以实现更高的耐压，导通电阻也较低，因此在高功率应用方面更具优势；但是由于有少数载流子积聚效应，导致IGBT反向恢复较慢，使其在高速开关应用时受限。

因此，硅基MOSFET通常是低电压、高频率开关应用的首选，而IGBT则更适合于更高电压、更高电流、低频率的应用。而与上述的Si器件相比较，SiC MOSFET却可以集高耐压、高频率、低功耗等诸多优点于一身，再加上出众的高温工作特性，可以说是一款从性能上近乎“理想”的功率开关器件。

图3：不同功率开关器件适合的应用区间（图源：安森美）

图4对1,200V耐压下的三种不同类型的功率开关器件进行了比较，可以直观地看到，SiC MOSFET器件的导通电阻仅为SiMOSFET (SiC )的1/100、Si IGBT的1/3至1/5，同时可以实现更低的开关损耗。因此长期来看，在650V至1,700V，特别是1,200V及以上的功率电子领域——如新能源汽车、太阳能和电源系统等——SiC MOSFET具有无可比拟的优势。

图4：SiC MOSFET与硅基功率开关器件的比较（图源：安森美）

打造可靠的SiC MOSFET

正是因为SiC MOSFET是广泛功率开关应用的理想之选，近年来功率半导体厂商也将其作为未来重要的市场支点，进行着持续的投入，打造可供商用的SiC MOSFET器件。其中，安森美 (onsemi)推出的M3S 1200V Si MOSFET就是很优秀的一款。

图5：基于M3S技术的1200V SiC MOSFET（图源：安森美）

除了上文提到的SiC MOSFET器件的固有优势，M3S 1200V SiC MOSFET还有三个鲜明的特点：

• 首先，基于M3S技术，该器件实现了22mΩ的导通电阻，具有低E_on和E_off损耗的特点，据安森美提供的数据，在硬开关应用中其与竞品相比功率损耗可减少20%。

• 其次，由于采用了TO247-4LD封装，该器件可实现较低共源极电感，这就使得这个SiC MOSFET在系统设计时可以支持更高的压摆率，在高频开关操作的同时有效控制开关损耗。

• 再次，该SiC MOSFET具有很好的驱动兼容性。要知道，SiC MOSFET的漂移层电阻比Si器件低，但其较低的载流子迁移率会导致较高的沟道电阻，因此SiC MOSFET与Si器件相比需要更高的栅源电压（通常要达到18V至20V），才能进入饱和模式，以获得尽可能低的导通电阻，并防止意外开关。也就是说，一般来讲SiC MOSFET与10V的标准Si MOSFET栅极驱动器，以及15V的IGBT栅极驱动器是不兼容的，往往需要专门的驱动器件。而采用M3S平面技术的1200V MOSFET既可以与18V专用栅极驱动器搭配实现优异性能，也可与15V IGBT栅极驱动配合使用，并可在栅极处于负栅极电压驱动和关断尖峰状态下可靠工作。

总之，安森美的这款M3S 1200V SiC MOSFET不仅将SiC材料的优势很大程度地发挥了出来，还在可靠性、易用性等方面做了优化，有力地加速SiC MOSFET的应用于储能、太阳能逆变器、新能源汽车等领域。

完善SiC的设计生态

当然，作为一个后来者，SiC想要完成对已经发展了数十年的Si功率器件的替代，并非一朝一夕之事，也不是依靠几颗性能优异的器件就能够完成的，而是需要一个完善的技术生态圈来支持。作为功率半导体领域的主力厂商，安森美深谙此道，一直在围绕着SiC态圈，积极完善产品布局。

一方面，从图6可以看出，安森美已经形成了丰富的SiC器件产品组合，覆盖不同的耐压等级和不同的封装类型；包括SiC二极管、SiC MOSFET，以及SiC模块；SiC模块中，既包括IGBT + SiC二极管的混合模块，也包括全SiC模块——这就可以满足处于不同阶段的不同客户功率电子产品升级迭代的需要。

图6：安森美的SiC产品线组合（图源：安森美）

另一方面，除了SiC器件本身，安森美也可提供与SiC器件配套的技术资源，如专为SiC FET打造的高端栅极驱动器IC，以及SPICE物理模型——其可以方便开发者对SiC器件应用电路进行仿真，以简化设计流程，节省开发成本。所有这些努力都在让SiC技术的升级迭代进程更顺畅，更快捷。

据IHS Markit的分析数据，2020年SiC功率器件市场规模约为6亿美元，而到2027年这个数字将达到100亿美元。面对这样一个高速增长的市场，我们应该如何提前布局，做足准备？从SiC器件产品组合到配套设计生态，应该从哪里获得更完善的技术资源，以支持接下来的功率电子技术升级之旅？

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