內(nèi)行看門(mén)道 —— 如何比較SiC第三代半導(dǎo)體功率器件的性能，兼評(píng)市面上主要SiC產(chǎn)品技術(shù)*性

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2022-03-17 07:31:20 0

導(dǎo)讀：氮化鎵GaN、碳化硅Silicon Carbide（簡(jiǎn)稱(chēng)SiC）為第三代半導(dǎo)體具備優(yōu)異的材料物理特性，在提升電力電子器件的性能提供了更大的空間。SiC功率器件作為電源系統(tǒng)*基礎(chǔ)的半導(dǎo)體零部件，因其廣泛的軍民應(yīng)用場(chǎng)景如，電動(dòng)汽車(chē)，高鐵，太陽(yáng)能、風(fēng)能電網(wǎng)并網(wǎng)，UPS不間斷電源，電磁彈射等領(lǐng)域大幅度提升功率能源效率，成為新能源市場(chǎng)的新寵。

開(kāi)篇前的閑聊

第三代半功率器件的重要性是提升功率，增*率，減小體積不可繞過(guò)的領(lǐng)域。*逐漸對(duì)半導(dǎo)體領(lǐng)域的重視，以及資本市場(chǎng)也開(kāi)始紛紛投來(lái)關(guān)注，特別是在貿(mào)易戰(zhàn)忽明忽暗的局勢(shì)中，大家更是意識(shí)到自主化生產(chǎn)功率器件的重要性。如同游戲中的所需的必要裝備，為了合成神器，功率器件這一份元素是無(wú)論如何也繞不開(kāi)的話題。如今三代半功率器件板塊的國(guó)產(chǎn)隊(duì)伍也紛紛異軍突起，異常熱鬧，其中派恩杰公司已經(jīng)生產(chǎn)出性能優(yōu)秀的碳化硅功率器件。
下面正式來(lái)聊聊SiC的性能優(yōu)異表現(xiàn)在哪些方面。

功率器件的損耗值

功率器器件其性能的重要指標(biāo)無(wú)外乎是其總體損耗total loss，它包含兩部分，一個(gè)是 導(dǎo)通損耗 （Conduction Loss）一個(gè)是 開(kāi)關(guān)損耗 （Switching Loss）。也就是說(shuō)損耗越低，效率越高，從而能得到更小的體積，更高的效率和更輕的重量，更適合現(xiàn)代化應(yīng)用需求。例如特斯拉Model 3之所以能夠?qū)r(jià)格降低到25萬(wàn)左右，其中一個(gè)很重要的原因就是因?yàn)樗麄兪褂昧薙iC方案，使得電池性能提升，體積重量變小，從而減少其它方面的成本。

為了幫助應(yīng)用商及資本方了解行業(yè)內(nèi)功率半導(dǎo)體器件及其主要參數(shù)指標(biāo)是怎么在業(yè)內(nèi)被比較和評(píng)估的，我們將在下文中橫向?qū)Ρ雀鱾€(gè)同時(shí)簡(jiǎn)評(píng)一下各家擁有SiC MOSFET器件產(chǎn)品的技術(shù)優(yōu)劣。

派恩杰參數(shù)*

在老一代電力電子應(yīng)用中，由于開(kāi)關(guān)頻率偏低，導(dǎo)通損耗占主要地位，一位本行業(yè)的開(kāi)山鼻祖，美國(guó)科學(xué)院院士 Jayant B. Baliga教授 （下文簡(jiǎn)稱(chēng)巴神）早在1989年就提出了一個(gè)評(píng)價(jià)功率器件導(dǎo)通損耗的品質(zhì)因數(shù)

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（參見(jiàn)[i]），ε其中是半導(dǎo)體材料電介常數(shù)，μ是電子遷移率，E_C是擊穿電場(chǎng)。根據(jù)巴神的公式，如果我們把硅材料的BFM因數(shù)作為1個(gè)單位，那么SiC材料的BFM因數(shù)是231個(gè)單位。這有什么意義呢？這說(shuō)明，制作同樣高電壓的多子功率器件（MOSFET，肖特基二極管等）， SiC材料的導(dǎo)通電阻小230倍！這意味著同樣電流下的導(dǎo)通損耗，SiC器件也比硅器件也小230倍！GaN相對(duì)硅的歸一化BFM是2097，Ga2O3是6170！用通俗話來(lái)總結(jié)就是，巴神早在1980年代就預(yù)言， 未來(lái)的功率半導(dǎo)體一定是寬禁帶半導(dǎo)體的天下！

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圖片i

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Jayant B. Baliga
隨著近20多年電力電子技術(shù)的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)開(kāi)關(guān)更高的開(kāi)關(guān)頻率可以減少電路中電容和電感等被動(dòng)元件的使用，減小系統(tǒng)體積和重量。但是，隨著系統(tǒng)頻率的升高，功率器件的開(kāi)關(guān)損耗日益顯著，所需散熱系統(tǒng)的成本和體積也相應(yīng)變大，導(dǎo)致系統(tǒng)不能進(jìn)一步通過(guò)提高頻率得到顯著優(yōu)化。另外一名*教授， Alex Q. Huang ，在2004年提出一個(gè)綜合評(píng)價(jià)器件導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗的品質(zhì)因數(shù)

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（參見(jiàn)[ii]），其中R_ds,on是器件的導(dǎo)通電阻，與導(dǎo)通損耗成正比，Q_gd是器件柵漏米勒電容所存儲(chǔ)的電荷，與開(kāi)關(guān)損耗成正比。同時(shí)，因?yàn)镽_ds,on跟器件面積成反比，Q_gd跟器件面積成正比，他們的乘積剛好抵消器件面積（或者說(shuō)成本）的影響，展示出這個(gè)器件在高頻工作下總體損耗水平。也用通俗的話來(lái)總結(jié)就是，HDFM品質(zhì)因數(shù)越小，象征著器件的總體 損耗就越小，效率就越高 ！

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Alex Q. Huang
采用這個(gè)方法，我們來(lái)比較一下市面上各大SiC MOSFET 供應(yīng)商的產(chǎn)品性能：

廠家	英飛凌	意法	科瑞	羅姆	派恩杰	某國(guó)產(chǎn)品牌
產(chǎn)地	歐洲	歐洲	美國(guó)	日本	*	*
技術(shù)平臺(tái)	*代溝槽	第二代平面	第三代平面	第三代溝槽	第三代平面	第？代平面
Rds,on (m?)	90	60	75	80	80	80
Qgd (nC)	5	35	20	25	9.3	54
	21.2	45.8	38.7	44.7	27.3	65.7
歸一化HDFM	1	2.16	1.83	2.11	1.29	3.10
*以上數(shù)據(jù)來(lái)自互聯(lián)網(wǎng)可公開(kāi)下載的datasheet。

我們通過(guò)這個(gè)對(duì)比表格先說(shuō)結(jié)論吧。 在平面MOS技術(shù)中，作為國(guó)產(chǎn)品牌的派恩杰半導(dǎo)體的產(chǎn)品已經(jīng)**，并且非常接近工藝復(fù)雜的溝槽MOS技術(shù)！ 在理想情況下，同樣的應(yīng)用場(chǎng)景，如果以英飛凌*新的CoolSiC器件作為對(duì)標(biāo)，且該器件的總體功耗*低為10W，派恩杰的SiC MOSFET功耗為12.9W，科瑞的產(chǎn)品功耗為18.3W, 意法半導(dǎo)體和羅姆的功耗接近為21W，某國(guó)產(chǎn)品牌的功耗為31W。

結(jié)語(yǔ)

在交通工具電氣化，新大基建等項(xiàng)目的推動(dòng)下，碳化硅器件將成為各大電源廠的戰(zhàn)略布局重點(diǎn)。特斯拉*與意法半導(dǎo)體合作，大眾汽車(chē)擁抱科瑞……能*占SiC功率器件的*新技術(shù)和產(chǎn)能的電源廠將得到不可比擬的戰(zhàn)略?xún)?yōu)勢(shì)。

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