【導讀】在功率電子領(lǐng)域，要論如今炙手可熱的器件，SiC要說(shuō)是第二，就沒(méi)有人敢說(shuō)第一了。隨著(zhù)原有的Si基功率半導體器件逐漸接近其物理極限，由第三代SiC功率器件接棒來(lái)沖刺更高的性能，已經(jīng)是大勢所趨。
與傳統的Si材料相比，SiC具有更寬的禁帶，以及更高的擊穿電場(chǎng)、熱導率和工作溫度，這決定了基于SiC的功率器件性能優(yōu)勢明顯。具體來(lái)講：
● SiC的禁帶是Si的3倍，可轉化為高10倍的擊穿電場(chǎng)，因此有利于實(shí)現更高電壓（如1,200V或更高）的功率器件。
● 較高的擊穿電場(chǎng)令SiC器件具有更薄的漂移層或更高的摻雜濃度，因此SiC器件與具有相同擊穿電壓的Si器件相比，具有更低的電阻，功耗更低。
● SiC的熱導率是硅的3倍，這意味著(zhù)功率損耗產(chǎn)生的熱量更容易傳導出去，以實(shí)現更佳的散熱特性。
● 由于具有較高的熔點(diǎn)，理論上SiC器件的工作溫度可達200°C以上，對外部冷卻的需求顯著(zhù)降低，有利于降低冷卻系統的成本。
● 基于SiC設計的單極器件（如高壓MOSFET），理論上不產(chǎn)生尾電流，因此相較于Si IGBT，SiC MOSFET具有更低的開(kāi)關(guān)損耗和更高性能的體二極管，可實(shí)現更高的開(kāi)關(guān)頻率。開(kāi)關(guān)頻率的提高，意味著(zhù)系統設計時(shí)可以選用更小的外圍元件，可以讓系統尺寸更為緊湊。
● SiC器件的芯片面積更小，產(chǎn)生的柵極電荷和電容也更小，這些特性使其在實(shí)現更高的開(kāi)關(guān)速度同時(shí)，可以降低開(kāi)關(guān)損耗。
總之，采用SiC功率器件可以讓功率電子系統實(shí)現更高電壓、更低功耗、更高效率、更小尺寸……除了成本較高外，完全碾壓Si功率器件應該是毫無(wú)懸念。
電動(dòng)汽車(chē)拉動(dòng)SiC市場(chǎng)成長(cháng)
不過(guò)，也正是成本高、產(chǎn)能低、配套技術(shù)生態(tài)欠完善等因素，在相當長(cháng)的一段時(shí)間里制約了SiC器件在商業(yè)領(lǐng)域的滲透速度。這種狀況一直持續到了2018年。
這一年，電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域發(fā)生的一件事，極大地改變了SiC半導體的市場(chǎng)走向——特斯拉宣布，在Model 3的主驅逆變器上采用了650V SiC MOSFET，使得逆變器效率提升了5%-8%，進(jìn)而讓電動(dòng)車(chē)的續航顯著(zhù)提升。從此，一石激起千層浪，電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域的玩家紛紛跟進(jìn)，掀起了SiC器件市場(chǎng)的一陣熱潮。
眾所周知，汽車(chē)電氣化的進(jìn)程勢不可擋。根據IHS Markit的預測，2025年全球將有45%的汽車(chē)生產(chǎn)實(shí)現電氣化，全年將銷(xiāo)售約4,600萬(wàn)輛電動(dòng)汽車(chē)；而到2030年，這兩個(gè)數字將上升到57%和6,200萬(wàn)輛。
而且，在電動(dòng)汽車(chē)中，除了主驅逆變器外，車(chē)載充電機 (OBC)、電源轉換系統 (DC/DC) 以及充電樁等功率電子設備都將為SiC器件提供巨大的應用空間。更為重要的是，隨著(zhù)對更大功率、更高電壓、高效電源轉換小型化設計的需求，SiC器件在很多應用中都將成為不二之選。伴隨著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)的成長(cháng)，SiC的需求也將呈現出更為陡峭的上行趨勢。
圖1：汽車(chē)電氣化拉動(dòng)SiC需求的增長(cháng)（圖源：安森美）
當然，與Si器件相比，單顆SiC器件及其功率電子系統解決方案價(jià)格仍然較高。但也有人測算過(guò)，電動(dòng)汽車(chē)逆變器使用SiC解決方案后, 可以讓整車(chē)功耗減少5%-10%，雖然由此會(huì )增加逆變器模組的成本，但可以有效降低電池、散熱、空間占用等成本，綜合計算下來(lái)可使整車(chē)成本節省約2,000美元左右。這樣的結論，顯然是SiC半導體市場(chǎng)的強心劑。
每一個(gè)行業(yè)“風(fēng)口”都會(huì )吸引更多的玩家進(jìn)入，SiC半導體市場(chǎng)也不例外。不過(guò)鑒于汽車(chē)行業(yè)的特殊性，這個(gè)領(lǐng)域的“金主”往往對于元器件供應商的選擇更為苛刻，只有SiC領(lǐng)域頭部的元器件廠(chǎng)商才有機會(huì )進(jìn)入他們的法眼。
在SiC的頭部玩家中，安森美(onsemi)是表現頗為亮眼的一家。只要簡(jiǎn)單地搜索新聞我們就會(huì )發(fā)現，僅在2023年公開(kāi)宣布采用安森美 EliteSiC系列SiC產(chǎn)品或開(kāi)展長(cháng)期深度合作的車(chē)企和電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域的技術(shù)供應商，就包括現代汽車(chē)、起亞集團、大眾汽車(chē)、極氪智能科技(ZEEKR)、Kempower、緯湃科技 (Vitesco)、博格華納 (BorgWarner) 等。之所以會(huì )得到行業(yè)的厚愛(ài)，與安森美背后堅實(shí)的實(shí)力支撐不無(wú)關(guān)系。
直擊市場(chǎng)痛點(diǎn)的產(chǎn)品
想要躋身一個(gè)領(lǐng)域頭部玩家的俱樂(lè )部，首當其沖的當然是要有能夠滿(mǎn)足市場(chǎng)需求的過(guò)硬產(chǎn)品。
以電動(dòng)汽車(chē)來(lái)講，提升續航里程和縮短充電時(shí)間是當下的主要痛點(diǎn)，也是決定消費者購買(mǎi)決策的關(guān)鍵。而想要解決這個(gè)痛點(diǎn)，提升電動(dòng)汽車(chē)電池組的電壓，從目前的400V平臺遷移到800V平臺是至關(guān)重要的一步。此舉的好處有兩點(diǎn)：一方面，在充電模式下，較高的電池電壓會(huì )降低電池充電所需的電流，并且縮短充電時(shí)間；另一方面，在車(chē)輛行駛時(shí)，較高的電壓可以在保持功率水平不變的情況下，增加電機功率輸出或提高系統效率。
而實(shí)現800V的架構，需要車(chē)輛中其他的功率電子系統都進(jìn)行相應的升級。具體到OBC，在設計升級時(shí)有兩個(gè)因素十分關(guān)鍵：電壓和開(kāi)關(guān)頻率，而這正好都是SiC器件的強項。
安森美推出的1200V EliteSiC M3S MOSFET就是800V OBC及相關(guān)應用的理想選擇。
圖2：1200V EliteSiC M3S MOSFET（圖源：安森美）
先從電壓上來(lái)看。系統架構采用更高的電壓，自然要求功率器件具有更高的阻斷電壓能力。想要滿(mǎn)足800V電池平臺的要求，Si功率器件顯然是難于勝任的，650V等千伏以下的SiC也不適用，而1200V的EliteSiC M3S MOSFET則正好可堪重任，支持更高功率OBC的設計。
此外，1200V EliteSiC M3S MOSFET與前代M1系列產(chǎn)品相比，還有一個(gè)重要的優(yōu)化，就是在開(kāi)關(guān)性能上。這些MOSFET導通電阻極低（包括 13 / 22 / 30 / 40 / 70mΩ），以符合車(chē)規的NVH4L022N120M3S為例，其在1200V時(shí)的導通電阻RDS(ON)低至22mΩ。根據安森美提供的測試數據，這款器件需要的總柵極電荷QG(TOT)相比上一代的M1 MOSFET更少，這大大降低了柵極驅動(dòng)器的灌電流和拉電流。在默認VGS(OP) = +18V的情況下，M3S的電荷僅為135nC，與M1相比，RDS(ON)*QG(TOT)中的FOM（品質(zhì)因數）減小了44%，這就意味著(zhù)在導通電阻RDS(ON)相同的情況下，M3S MOSFET只需要其他器件56%的開(kāi)關(guān)柵極電荷。
與M1相比，M3S在其寄生電容COSS中存儲的能量EOSS更少，因此在更輕的負載下具有更高的效率。如圖3所示，M3S的開(kāi)關(guān)性能大幅改善——EOFF相比M1降低了40%，EON降低了20-30%，總開(kāi)關(guān)損耗降低了34%。在高開(kāi)關(guān)頻率應用中，這將消除導通電阻RDS(ON)溫度系數較高的缺點(diǎn)。
圖3：M3S MOSFET電感開(kāi)關(guān)損耗（圖源：安森美）
支持更高的電壓，有助于實(shí)現更高的功率，讓充電更快，還可以減少整車(chē)所需的電流，從而降低電源系統、電池和OBC之間的電纜成本；開(kāi)關(guān)頻率的提升，有助于系統設計人員使用更小的電感器、變壓器和電容器等儲能元件，從而縮小系統體積，實(shí)現更緊湊的尺寸，為車(chē)輛中其他組件提供更多的空間——1200V EliteSiC M3S MOSFET的這兩點(diǎn)優(yōu)勢，剛好命中了電動(dòng)汽車(chē)客戶(hù)的需求痛點(diǎn)，這顯然是讓他們“下單”很具有說(shuō)服力的理由，當然也是安森美能夠在SiC競爭中獲得先發(fā)優(yōu)勢的一大主要原因。
完整的SiC產(chǎn)品布局
值得注意的是，像1200V M3S MOSFET這樣能夠直擊市場(chǎng)痛點(diǎn)的產(chǎn)品，在安森美的EliteSiC系列產(chǎn)品中還有很多，豐富的產(chǎn)品組合是為廣泛功率電子應用提供SiC整體解決方案的關(guān)鍵，也是安森美深厚技術(shù)積淀的體現。
從產(chǎn)品類(lèi)別上看，目前安森美 EliteSiC系列包括SiC二極管、SiC MOSFET、SiC模塊和Si/SiC混合模塊四個(gè)子類(lèi)，這意味著(zhù)客戶(hù)無(wú)論是希望激進(jìn)地研發(fā)全SiC的產(chǎn)品，還是選擇一種穩妥的漸進(jìn)式升級路徑，都可以在EliteSiC產(chǎn)品組合中找到相應的解決方案。
而從各個(gè)子類(lèi)中，更是能看出安森美 SiC產(chǎn)品的豐富和多樣性。比如在SiC MOSFET類(lèi)別，安森美的產(chǎn)品就包括650V、900V、1200V和1700V電壓級別，而且陸續研發(fā)出了三代產(chǎn)品，每一代產(chǎn)品都根據特定市場(chǎng)應用的需求進(jìn)行了迭代優(yōu)化。
M1系列
安森美的初代SiC MOSFET，主推1200V器件，適用于工業(yè)和汽車(chē)應用，支持20kHz范圍內工作的系統，著(zhù)重在低導通損耗和穩定可靠性方面進(jìn)行了優(yōu)化。
M2系列
主要包括650V和900V器件，覆蓋千伏以下較低電壓的應用，并提供了針對這些電壓級別而優(yōu)化的新型單元結構。
M3系列
1200V器件，特別針對快速開(kāi)關(guān)應用進(jìn)行了優(yōu)化。上文提到的M3S MOSFET就是M3系列下的一個(gè)子系列。
表1：EliteSiC MOSFET各個(gè)系列特性（資料來(lái)源：安森美）
隨著(zhù)市場(chǎng)的發(fā)展，EliteSiC MOSFET的產(chǎn)品組合還在不斷豐富和延展。比如在2023年初推出的1700V EliteSiC MOSFET (NTH4L028N170M1），就是面向可再生能源領(lǐng)域而設計的產(chǎn)品——由此可見(jiàn)，雖然當下電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)SiC的行情如火如荼，但是安森美也沒(méi)有放松在其他應用領(lǐng)域的產(chǎn)品布局。
可再生能源應用正不斷向更高的電壓發(fā)展，其中太陽(yáng)能系統直流母線(xiàn)正從1100V向1500V演進(jìn)。為了支持這一技術(shù)變革，就需要具有更高擊穿電壓 (BV) 的MOSFET提供支持。安森美的1700V EliteSiC MOSFET顯然就是為此而打造的，其Vgs范圍為-15V/25V，適用于柵極電壓提高到-10V的快速開(kāi)關(guān)應用，且具有更高的系統可靠性。在1200V、40A的測試條件下，1700V EliteSiC MOSFET的柵極電荷(Qg) 僅為200nC，這一特性對于在更快開(kāi)關(guān)速度、更高功率的可再生能源應用中實(shí)現高能效至關(guān)重要。
圖4：1700V EliteSiC MOSFET（圖源：安森美）
顯然，不斷擴大EliteSiC系列產(chǎn)品的深度和廣度，是安森美的SiC戰略中很重要的一部分。這種全面的布局，使得安森美有能力響應客戶(hù)的各種設計需求，同時(shí)也不會(huì )錯失現在和未來(lái)任何一個(gè)市場(chǎng)風(fēng)口。
垂直整合的SiC產(chǎn)業(yè)鏈
隨著(zhù)SiC市場(chǎng)的大熱，在未來(lái)一段時(shí)間，下游廠(chǎng)商都難免受到SiC器件產(chǎn)能吃緊這一瓶頸的困擾。為此，很多系統廠(chǎng)商都會(huì )采用和SiC器件供應商簽署長(cháng)期供貨協(xié)議這種深度綁定的方式，來(lái)規避相應的供應鏈風(fēng)險。這時(shí)，對SiC半導體廠(chǎng)商產(chǎn)能和質(zhì)量穩健性的要求就顯得尤為重要了。
安森美對此的應對舉措就是，對整個(gè)SiC產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)行垂直整合，將影響產(chǎn)能和產(chǎn)品品質(zhì)的要素緊緊掌握在自己的手中！
通過(guò)一系列的收購和整合工作，目前安森美已經(jīng)實(shí)現了SiC器件生產(chǎn)制造能力的垂直整合，是目前世界上為數不多能夠提供從襯底制備到模塊制造端到端SiC方案的供應商，涵蓋SiC材料生長(cháng)、襯底、外延、器件制造、模塊集成和分立封裝等在內的整個(gè)制造流程。此舉無(wú)疑為安森美的SiC供應鏈帶來(lái)了易于擴展、成本優(yōu)化的優(yōu)勢。
圖5：安森美i的垂直整合SiC制造能力（圖源：安森美）
而且在整個(gè)制造流程中，安森美實(shí)施了全面的可靠性和質(zhì)量測試，以避免產(chǎn)品出現缺陷。安森美的所有SiC產(chǎn)品都在100%額定電壓和175°C下經(jīng)驗證合格；還具有100%雪崩額定值，具有固有的柵極氧化物可靠性，并經(jīng)過(guò)宇宙輻射測試；同時(shí)還會(huì )對SiC外延生長(cháng)前后進(jìn)行缺陷掃描。
除了上述對制造能力的垂直整合，安森美也在著(zhù)力打造更完善的SiC器件應用開(kāi)發(fā)生態(tài)，包括專(zhuān)家支持、設計工具、仿真工具，以及詳盡的技術(shù)文檔等，以響應客戶(hù)設計和開(kāi)發(fā)各個(gè)階段的需求。
其中的安森美新發(fā)布的Elite Power仿真工具就是一個(gè)亮點(diǎn)。這款仿真工具能夠準確呈現出采用EliteSiC系列產(chǎn)品包括EliteSiC邊界情形的電路運行情況，幫助電力電子工程師加快設計的上市速度。
圖6：Elite Power 仿真工具配以 PLECS，助力開(kāi)發(fā)者快速設計出整合EliteSiC產(chǎn)品的電源應用（圖源：安森美）
安森美的這些努力無(wú)疑會(huì )讓公司圍繞SiC構建的技術(shù)支持體系更為完善，從宏觀(guān)的角度上看，也是在彌補整個(gè)SiC產(chǎn)業(yè)鏈上的缺環(huán)，以做大整個(gè)SiC的市場(chǎng)蛋糕。
本文小結
根據Yole的預測，從2021到2027年，全球SiC功率器件市場(chǎng)規模將從10.90億美元增長(cháng)到62.97億美元，其中車(chē)規級SiC器件市場(chǎng)將從2021年的6.85億美元增長(cháng)至2027年的49.86億美元，年復合增長(cháng)率高達39.2%。
要想成為這個(gè)高速增長(cháng)的新興半導體市場(chǎng)的頭部玩家，瞄準市場(chǎng)熱點(diǎn)的創(chuàng )新產(chǎn)品、全面的產(chǎn)品布局和垂直整合的綜合能力，這三要素缺一不可。安森美就是圍繞著(zhù)這三個(gè)方面不斷深耕，構建起了自己在SiC這個(gè)“新世界”的版圖。想要走入其中，一探究竟，就隨我們來(lái)吧！
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