英飛凌新一代650V碳化硅MOSFET的性能和應用分析

2020年2月，碳化硅的領導廠商之一英飛凌祭出了650V CoolSiC? MOSFET，帶來了堅固可靠性和高性能。它是如何定義性能和應用場景的？下一步產(chǎn)品計劃如何？碳化硅業(yè)的難點在哪里？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)開關電源應用高級市場經(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) 開關電源應用高級市場經(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，也支持開關損耗更低的TO-247 四引腳封裝（如下圖）。

從靜態(tài)導通電阻 R_DS(on) 的角度來看，英飛凌有4款產(chǎn)品：(27~107)mΩ。當然這是第一個階段，接下來，英飛凌會再推出更多的封裝（例如SMD封裝）來滿足不同領域的應用。

目前該產(chǎn)品的目標市場，主要是服務器/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)），以及能源儲存。這些目標市場今后增長都將非常快速。

1 應該具備哪些功能和性能

上文所述的電源設計，要考慮到堅固性和可靠性。例如通訊電源往往需要使用10年以上，服務器與數(shù)據(jù)中心也大概要5~10年。另外，應用工程師對于碳化硅可能沒那么熟悉，所以在碳化硅的設計上，也要做到易用性。在技術指標上，需要熱導系數(shù)優(yōu)良，適合高溫場景，柵極氧化層采用溝槽形式以提升可靠性。

1）如何支持堅固性和可靠性

?   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，它目前的堅固度已經(jīng)很成熟了，媲美IGBT與CooIMOS的FIT率。

?   為了防止“誤導通”，英飛凌把 V_GS(TH) 重新設計在大于4V上，這樣可以降低一些噪音進來而引發(fā)的“誤導通”。

?   在一些特殊的拓撲，例如CCM圖騰柱的拓撲，有硬換向的體二極管。

?  抗雪崩方面，由于電源的應用環(huán)境可能會出現(xiàn)雜訊，或電源電壓不穩(wěn)定（可能會超過額定電壓650V），所以新產(chǎn)品具有抗雪崩能力，以防止不適當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)界電源的領導廠商合作，英飛凌把 V_GS 電壓范圍放寬。在0V電壓可以關斷 V_GS ，就不會到負電壓，因此不會像氮化鎵要做一個負電壓，造成整個電路的負擔。

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

1）碳化硅的熱導系數(shù)優(yōu)良，適合高溫場景

碳化硅比硅和氮化鎵的熱導系數(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計成本，這也是為什么碳化硅往往被用于高溫場景的原因（如下圖）。

2）柵極氧化層采用溝槽式，以提高性能和可靠性

柵極氧化層是設計的難點之一。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。因為溝槽式是未來的大勢所趨：平面式在導通狀態(tài)下，性能與可靠性之間需要很大的折衷；溝槽式更容易達到性能要求而不偏離柵極氧化層的安全條件。

不過，溝槽式的生產(chǎn)會更為復雜，因為它的柵極氧化層比較薄，需要兼顧耐用性。然而，英飛凌已有20年的碳化硅的經(jīng)驗積累，無論是控制良率，還是控制穩(wěn)定性，都很有經(jīng)驗。

3）適合硬換向的拓撲，可以達到更高的效率

對于硬換向的拓撲，有 Q_rr和Q_oss兩個重要的參數(shù)。英飛凌的Qrr是遠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，可見英飛凌在此技術上是領先的。甚至有些供應商不標明R_DS(on)*Q_rr和R_DS(on)*Q_oss，這會對工程師在設計上造成很大的困難。

4）PFC圖騰柱可提高功率密度及效率

因為在 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圖騰柱等硬換向拓撲，可以達到很高的效率，例如用了48mΩ，效率可以在PFC達到 99%。而以往的硅技術，是很難做到的。

實際上，圖騰柱在高壓電源轉換里并不是很新的結構，就是橋式拓撲結構。這種結構在低壓的電源轉換里是很常見的。但在高壓里，則受限于常用的一些器件所謂的“反向恢復特性”，例如大功率轉換里常用的超級結的硅器件。

而現(xiàn)在的新材料，例如碳化硅，本身的“反向恢復速度”很快，在用這種圖騰柱結構時，如果是處于“軟開關”的情況之下，或者由于一些條件導致體二極管導通電流，又會突然再反向，這時，碳化硅比常見的硅材料“反向恢復速度”快很多，就可以用到以前在超級結時無法使用的圖騰柱結構。

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）若配合英飛凌的驅動IC，可以讓整個性能更加優(yōu)化，設計的穩(wěn)定度更好。當然，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，例如72mΩ、107mΩ等（如下圖）。

2 應用案例

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

1）大型數(shù)據(jù)中心

大型數(shù)據(jù)中心的標準功率密度約是平均每個機架3kW。系統(tǒng)廠商希望效率越高越好，通常要超過96%。因為除了系統(tǒng)穩(wěn)定度外，還有散熱的費用。

英飛凌的解決方案：第一個是采用CCM圖騰柱PFC，加上LLC軟開關的切換（如下圖）。圖騰柱部分用碳化硅，因為整個系統(tǒng)的效率只要求到96%，所以可以選性價比優(yōu)化的CoolMOSTM第七代LLC。前文提到PFC可以達到99%，用了LLC的架構（可以達到97%），所以整體效率可以達到96%。

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

2）5G電源的小基站

小基站通常在室外，很少有人去維護，也沒有風扇；而且電源功率很高，電源的瓦特數(shù)一般在300~1300W。這對于有高堅固性、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，所以溫升會更低。

英飛凌推薦的方案，PFC還是用圖騰柱的設計。LLC為97%，整體效率還是96%。這是在平衡它的性能之后達到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，可能工作溫度會上升到100℃。

3）其它儲能系統(tǒng)

它們的瓦特數(shù)從(1~50)kW。在設計方面，因為一些產(chǎn)品要放在家里（如下圖），也希望將體積做小，將效率提高。碳化硅也有望應用進來，優(yōu)勢是效率高、體積小、外部零件少。

3 產(chǎn)品規(guī)劃：將出爐SMD等封裝型號

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

CoolSiC MOSFET現(xiàn)在只有8款產(chǎn)品，預計在2021會有新產(chǎn)品，會擴展到50個型號以上，以滿足在不同的應用場景，可選擇不同的封裝。

那么，英飛凌在未來的新產(chǎn)品中，為何要推出新的SMD封裝？因為SMD封裝是適應目前開關電源領域高功率密度暨小型化的發(fā)展趨勢，可進一步減小產(chǎn)品的尺寸。SMD封裝的技術難點在于如何將功率半導體產(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)插件封裝會更小，這意味著散熱會更加困難。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。

４　碳化硅的業(yè)界挑戰(zhàn)

１）需要馬拉松式的持續(xù)投資

碳化硅領域有很多競爭對手，包括中國新興的本土競爭對手。對于碳化硅行業(yè)，如何能持續(xù)投入高資金成本是個挑戰(zhàn)。因為這是一場長期的馬拉松賽，甚至是超級馬拉松。

英飛凌的優(yōu)勢是除了在電源領域經(jīng)營了多年，而且在硅、碳化硅領域投資了多年，累積的專業(yè)技術知識和能力很多。   

２）６英寸是主流，多家供應商供貨

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，英飛凌對上游選取多個供應商。例如襯底，有5家供應商，有日本和美國的供應商，例如科銳（Cree）。