19世紀(jì)英國詩人、小說家和諷刺作家奧斯卡·王爾德(Oscar Wilde)在其戲劇《少奶奶的扇子》中寫道，懷疑論者是那些“知道一切東西的價格，卻不知道任何東西的價值”的人，意在諷刺對事物的短視而沒有看到大局的人。
對于當(dāng)前人們關(guān)注的碳化硅(SiC)也是如此，如果你只計算器件本身的價格，而忽略了其他計算方法，不去計算創(chuàng)新的代價，無疑是一種短視的行為，也許要為此付出更大的代價。
更新?lián)Q代，SiC并不例外
新一代半導(dǎo)體開關(guān)技術(shù)出現(xiàn)得越來越快。下一代寬帶隙技術(shù)仍處于初級階段，有望進(jìn)一步改善許多應(yīng)用領(lǐng)域的效率、尺寸和成本。雖然，隨著碳化硅技術(shù)的進(jìn)步，未來還將面臨挑戰(zhàn)，例如，晶圓需要更厚，以適應(yīng)較高的加工溫度，從而提高了成本，而一些參數(shù)目前只能以犧牲其他參數(shù)為代價來改進(jìn)，但技術(shù)終究要發(fā)展。
怎么算是“一代”呢?歷史上有著不同的含義。盡管晶體管是在1945年發(fā)明的，1970年袖珍計算器才出現(xiàn);又過了15年，摩托羅拉才賣出了第一部移動電話，從兩個發(fā)明來看，都讓早期采用者的口袋緊張——新東西就是貴。
今天，一代又一代的技術(shù)來去匆匆。5G到了，兩年多前6G也開始研究了。半導(dǎo)體功率開關(guān)技術(shù)也是如此，特別是用SiC和GaN制作的寬帶隙器件。SiC已經(jīng)從5年前的商業(yè)起步躍升到今天的第三代，價格已與硅開關(guān)相當(dāng)，特別是在考慮到連鎖效益的情況下。
隨著電動汽車、可再生能源和5G等領(lǐng)域的創(chuàng)新步伐不斷加快，工程師們越來越多地在尋找新的解決方案，并對技術(shù)提出更多的要求，以滿足消費者和行業(yè)的需求。碳化硅半導(dǎo)體是滿足這些需求的優(yōu)選答案，其本身也在不斷改進(jìn)，以期提供與舊技術(shù)相比更具成本競爭力的性能。
從可有可無到做出改變
電力電子工程師想要兩者兼得，既期望元件價格越來越便宜，也需要提升系統(tǒng)的性能，其中免不了有一個復(fù)雜的成本效益關(guān)系，隨著時間推移這個關(guān)系在不斷變化，而且往往難以量化。
功率半導(dǎo)體就是這樣。在首度商業(yè)化時，碳化硅的創(chuàng)新性和較新的顛覆性技術(shù)必然很昂貴，盡管認(rèn)識到了與硅基產(chǎn)品(如IGBT和Si-MOSFET)相比的潛在優(yōu)勢，大多數(shù)工程師還是把它放在了“可有可無”的清單上。
不過，隨著碳化硅價格的下降、性能和可靠性的提高，其性能得到改善，可靠性得到了證明，在列表中的地位調(diào)高了，現(xiàn)在已被視為現(xiàn)有舊技術(shù)器件的替代品和新設(shè)計的起點。
碳化硅的采用取決于應(yīng)用，所以太陽能和電動汽車工程師成為了早期采用者，在這些領(lǐng)域，提高效率一直是一個高度優(yōu)先選擇，但隨著片芯成本的下降、性能的提高、節(jié)能價值的提升以及相關(guān)元件成本的降低，工程師已沒有理由不在更廣泛的應(yīng)用中做出改變了。
固有優(yōu)勢加上最新進(jìn)展
碳化硅的固有優(yōu)勢有很多，如高臨界擊穿電壓、高溫操作、具有優(yōu)良的導(dǎo)通電阻/片芯面積和開關(guān)損耗、快速開關(guān)等。最近，UnitedSiC采用常關(guān)型共源共柵的第三代SiC-FET器件已經(jīng)更進(jìn)一步。其中UF系列的最新產(chǎn)品在1200V和650V器件上的導(dǎo)通電阻達(dá)到了同類產(chǎn)品最低，分別小于9毫歐和7毫歐。這些器件具有低損耗體二極管效應(yīng)以及固有的抗過電壓和短路的能力，與Si-MOSFET或IGBT一樣易于驅(qū)動。事實上，其TO-247封裝可以替代許多這類器件，實現(xiàn)即時的性能提升。對于新的設(shè)計，還有一種低電感、熱增強(qiáng)型DFN8x8封裝，充分利用了SiC-FET的高頻性能。
SiC-FET柵極驅(qū)動與現(xiàn)有技術(shù)兼容，具有優(yōu)異的柵極保護(hù)
UnitedSiC工程副總裁Anup Bhalla博士表示：“隨著有遠(yuǎn)見者將用戶和環(huán)境效益加入到價值方程中，系統(tǒng)節(jié)能越來越傾向于采用SiC-FET的設(shè)計決策。不過，還有更多的事情要做，如果系統(tǒng)是圍繞SiC-FET設(shè)計的，開關(guān)頻率可以提高，而不會顯著損害效率，甚至可以消除分立整流二極管和緩沖網(wǎng)絡(luò)等元件。”
Anup Bhalla博士
他說，其他相關(guān)元件(如散熱器、電感器/變壓器和電容器)的尺寸、重量和成本也可隨之降低。在極端情況下，整個冷卻系統(tǒng)本身效率也可以降低，甚至可以節(jié)省更多的成本。特別是在電動汽車牽引逆變器應(yīng)用中，效率的提高是一個良性循環(huán)，因為基于碳化硅的逆變器中的元件更小、更輕，所以電池充電的續(xù)航里程更長。
碳化硅技術(shù)仍在不斷發(fā)展，有望獲得更好的性能。在下一代中，導(dǎo)通電阻將隨著開關(guān)損耗進(jìn)一步下降，額定電壓將增加，片芯將進(jìn)一步縮小，產(chǎn)量提高，從而降低成本。更多的變型和更廣泛的封裝選擇將出現(xiàn)，以適應(yīng)更高電壓和功率等級的應(yīng)用范圍。
例如，最新的共源共柵超快速(常關(guān)型SiC-FET)與IGBT或Si-MOSFET一樣易于驅(qū)動和使用，但在速度及較低靜態(tài)和動態(tài)損耗方面具有明顯的優(yōu)勢。UnitedSiC的1200V和650V器件除了導(dǎo)通電阻低，還利用了低內(nèi)感和熱阻的SiC性能。
1200V和650V第三代器件的導(dǎo)通電阻值比較
Anup Bhalla說，碳化硅的優(yōu)點從一開始就很明顯，它的寬禁帶提高了臨界擊穿電壓和額定溫度。更好的是，單位面積導(dǎo)通電阻(RdsA)的性能指標(biāo)比Si-MOSFET高2.5倍，比同電壓等級的IGBT高13倍，開關(guān)損耗低，因為器件電容低，熱導(dǎo)率是硅的10倍。
SiC在所有重要方面都優(yōu)于硅
這為碳化硅器件開辟了廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，在5G/數(shù)據(jù)中心等空間受限和節(jié)能領(lǐng)域，低損耗是應(yīng)用的推動力;在電動汽車領(lǐng)域，更高的牽引逆變器效率意味著更小的散熱尺寸和成本，以及更長的車輛里程。SiC-FET的特性也使其在其他應(yīng)用領(lǐng)域，如家用和商用固態(tài)斷路器、電路保護(hù)甚至線性操作中具有理想的性能。所涉及的領(lǐng)域同樣廣泛，從航空航天到信息技術(shù)、工業(yè)、家庭和可再生能源，如果沒有冷卻組件，效率也會更好，而且有助于降低成本、尺寸和環(huán)境負(fù)擔(dān)。
SiC仍處于進(jìn)化曲線的起點，它還能走多遠(yuǎn)呢?系統(tǒng)工程師急切地等待著發(fā)現(xiàn)，但我們可以根據(jù)SiC如何模仿硅器件的發(fā)展做出一些預(yù)測：
器件的單元設(shè)計(Cell design)將進(jìn)一步完善導(dǎo)通電阻。其品質(zhì)因數(shù)意味著更小的片芯具有更快的開關(guān)和更小的導(dǎo)通電阻;減小的片芯尺寸將直接導(dǎo)致更低的器件電容，這意味著在開關(guān)過程中更低的能量損失和更低的柵極驅(qū)動損耗;隨著越來越多地使用“層疊共源共柵”，額定電壓將增加到1700V或更高，可以在幾千伏增加電流額定值，由于達(dá)到了傳統(tǒng)的鍵合線封裝的極限，因此無引線器件將變得普遍，這也將反過來使開關(guān)頻率做得更高。作為傳統(tǒng)設(shè)計中IGBT和Si-MOSFET的替代品，TO-247三線和四線封裝仍將占有一席之地。隨著技術(shù)的成熟，可靠性將得到越來越多的證明，隨著成品率的提高和片芯尺寸的縮小，成本有望降低。
關(guān)鍵SiC開關(guān)參數(shù)和從今天(藍(lán)色)到明天(橙色)的發(fā)展
降低總體物料清單成本才是實錘
Cree負(fù)責(zé)功率半導(dǎo)體器件的人士認(rèn)為，在所有應(yīng)用市場，特別是電動汽車和計算機(jī)，都能從降低耗電成本和以較低成本提供相同或更高功能所占用的空間中獲益——具有競爭力和可持續(xù)性地滿足市場需求。
例如，在IT領(lǐng)域，數(shù)據(jù)中心的電源、散熱和占地房產(chǎn)成本均大大超過初始硬件成本。新的能源效率標(biāo)準(zhǔn)(例如80+ Titanium)旨在通過提高系統(tǒng)效率來降低這些成本。但由于在更復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中采用了額外的元件，如果不抬升物料清單(BOM)成本則難以實現(xiàn)。
在電動汽車市場，車企為了取得成功，需要提高續(xù)航里程并降低BOM成本，才能有效地與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)(ICE)競爭。為了實現(xiàn)更長距離的續(xù)航里程，制造商需要更高容量的電池系統(tǒng)，這可以通過增加電池尺寸或提高功率效率來實現(xiàn)。然而，如果增加電池尺寸，將同時增加車輛重量，從而增加功率消耗。但如果在相同尺寸電池實現(xiàn)更高功率以及更少元件總數(shù)量，則可以實現(xiàn)更優(yōu)異的功率效率，從而可以減輕重量、節(jié)省功率，并且最重要的是可以減少用戶“里程焦慮”。
據(jù)介紹，Wolfspeed(Cree子公司)新的650V碳化硅器件有助于在幾個方面降低成本。與基于硅的650V MOSFET相比，Wolfspeed器件的導(dǎo)通損耗降低 50%，開關(guān)損耗降低75%，功率密度提高了3倍，不僅可以幫助實現(xiàn)更高效率來節(jié)省成本，還可以降低磁性元件和散熱裝置的BOM成本。
例如，電動汽車6.6kW雙向車載充電機(jī)(OBC)的典型AC/DC部分包括四個650V IGBT，幾個二極管和一個700μH L1電感器，占超過70%的BOM成本。如果該設(shè)計采用四個650V碳化硅MOSFET，則僅需一個230 μH L1電感器。與基于IGBT的設(shè)計相比，這將使得BOM成本降低近18%。
對比顯示，Wolfspeed碳化硅MOSFET充電機(jī)解決方案節(jié)約15%總體系統(tǒng)BOM成本
加快上市等于減少了時間成本
半導(dǎo)體廠商通常都通過參考設(shè)計為其器件提供廣泛的支持。對于上面提到的OBC應(yīng)用，Wolfspeed的全球應(yīng)用工程團(tuán)隊創(chuàng)建了一個6.6kW的雙向設(shè)計，其DC link為380V至425V，電池側(cè)輸出為250V至450V。
其AC/DC端采用高效率且具性價比的圖騰柱拓?fù)洌@是硅基方案在不權(quán)衡妥協(xié)其復(fù)雜性和元件數(shù)量的前提下所無法實現(xiàn)的。同時，DC/DC端將開關(guān)頻率提高到150kHz至300kHz的范圍——這比硅基方案快了三倍。
采用SiC MOSFET的6.6kW雙向轉(zhuǎn)換器適用于高效率和高功率密度車載充電應(yīng)用
很好的總結(jié)
據(jù)Goldman Sachs統(tǒng)計，在汽車中采用SiC MOSFET增加的成本大約為300美元，而估計節(jié)省的成本可達(dá)2000美元。因此，2019至2030年，SiC MOSFET市場將占功率半導(dǎo)體增量增長的約50%。
采用SiC MOSFET增加的成本與節(jié)省的成本
意法半導(dǎo)體汽車和分立器件產(chǎn)品部大眾市場業(yè)務(wù)拓展負(fù)責(zé)人Giovanni Luca Sarica也談到了電動汽車的成本，他說：“通過比較發(fā)現(xiàn)，電動汽車整車半導(dǎo)體平均總成本是傳統(tǒng)汽車的兩倍，而電動汽車50%的總成本與功率器件有關(guān)。”
Giovanni Luca Sarica
他認(rèn)為，SiC在電動車制造中可以節(jié)約成本。在電動汽車驅(qū)動電機(jī)和逆變器中，采用SiC MOSFET的逆變器有以下優(yōu)勢：開關(guān)損耗可降低80%;可以直接集成逆變器;無需另外安裝液體冷卻器;熱管理性能更好;充電時間更快。他強(qiáng)調(diào)：“與硅基器件相比，SiC的成本優(yōu)勢不在于器件本身，而是體現(xiàn)在車輛總體成本方面，采用新技術(shù)可以為汽車制造商節(jié)省很多金錢。”
他的理由是：當(dāng)采用SiC時，開關(guān)頻率可以設(shè)計得更高，這將提高器件的能效，降低無源元件的尺寸和成本，因為無源器件在應(yīng)用系統(tǒng)總成本中占比很高。此外，當(dāng)采用較小的無源器件時，還可以縮減模塊的整體尺寸，并且可以再一次降低應(yīng)用整體成本。
半導(dǎo)體廠商不約而同：看系統(tǒng)成本，SiC低于IGBT
他補(bǔ)充說：“在節(jié)省成本方面，汽車制造商還可以獲得其它的重要好處。例如，當(dāng)使用SiC解決方案獲得更高能效時，可以降低動力電池冷卻系統(tǒng)的尺寸，電池冷卻系統(tǒng)是導(dǎo)致總體成本增加的主要因素。這都是SiC給汽車制造商帶來的實實在在的成本效益。所有這些要素對于新能源汽車的市場普及極為重要，政府產(chǎn)業(yè)鼓勵政策固然
