半導(dǎo)體屆“小紅人”——碳化硅肖特基，讓你的電源溫度低過冰墩墩，授權(quán)方案設(shè)計(jì)代理商KOYUELEC光與電子

第三代半導(dǎo)體碳化硅是目前半導(dǎo)體領(lǐng)域最熱門的話題。提到碳化硅（SiC），人們的第一反應(yīng)是其性能優(yōu)勢(shì)，如更低損耗、更高電壓、更高頻率、更小尺寸和更高結(jié)溫，非常適合制造大功率電子器件；如果說到應(yīng)用，大多數(shù)人都會(huì)說它成本太高，推廣起來需假以時(shí)日，等等。事實(shí)上，在一些有性能、效率、體積、散熱，甚至系統(tǒng)成本有要求的應(yīng)用中，典型代表行業(yè)如電源，碳化硅器件與硅器件的成本差距正在收窄。

圖1 硅材料和碳化硅材料參數(shù)對(duì)比

表1 硅材料和碳化硅材料參數(shù)對(duì)比

那么，基于如此明顯的優(yōu)勢(shì)的碳化硅材料制成的碳化硅肖特基器件能帶來哪些優(yōu)勢(shì)呢？

1、器件自身優(yōu)勢(shì)

擊穿電壓高（常用電壓有650V/1200V）、可靠性高（結(jié)溫175℃ ）、開關(guān)損耗小和導(dǎo)通損耗小、器件反向恢復(fù)時(shí)間幾乎為0，且恢復(fù)電壓應(yīng)力較小（參考下圖），有利于降低系統(tǒng)噪聲，提高EMI裕量。

圖2 Si FRD 反向恢復(fù)波形

圖3 SiC SBD 反向恢復(fù)波形

2、應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

在CCM PFC電路中，碳化硅肖特基零反向恢復(fù)電流可以降低主功率MOSFET開啟瞬間的電流應(yīng)力，從而使它能夠以較少的熱損失轉(zhuǎn)換電能，硅半導(dǎo)體必須大得多才能實(shí)現(xiàn)相同的性能。這體現(xiàn)在產(chǎn)品上，即碳化硅肖特基在降低電源溫度提高轉(zhuǎn)換效率的同時(shí)還能顯著減小電源的尺寸，這將為制造商帶來巨大的效益。

圖4 CCM PFC 電路圖

功率半導(dǎo)體作為電力系統(tǒng)的組成部分，是提升能源效率的決定性因素之一。在肖特基發(fā)展歷程中，追求更低損耗是行業(yè)一直以來的共同目標(biāo)，肖特基器件損耗主要由導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗導(dǎo)致，且無用功損耗會(huì)以發(fā)熱的行式釋放，使電源溫度升高。

導(dǎo)通損耗和正向壓降正相關(guān)，我們根據(jù)VF正向壓降公式以及公式分解可以得到，降低芯片厚度可以有效降低VF。從而降低導(dǎo)通損耗。

而開關(guān)損耗和電容值正相關(guān)。根據(jù)推導(dǎo)公式可得，減小結(jié)面積可以有效降低電容值，從而降低開關(guān)損耗。

從設(shè)計(jì)人員的角度來看，正向壓降與電容二者之間的平衡至關(guān)重要，而使用新工藝可以帶來更優(yōu)的綜合性能。目前碳化硅肖特基產(chǎn)品工藝節(jié)點(diǎn)大致可以分為4個(gè)：

第一代產(chǎn)品芯片厚度以300μm以上為工藝節(jié)點(diǎn)，常見厚度為300μm、350μm、390μm厚度。此工藝制造的芯片厚度較厚，對(duì)加工過程中減劃、金屬化等等工藝要求較低，但是缺點(diǎn)也是顯而易見的，由于芯片較厚故很難在正向壓降和電容之間得到一個(gè)較優(yōu)的綜合性能，目前國(guó)內(nèi)少部分廠家還沿用此工藝。

第二代產(chǎn)品以芯片厚度為250μm為代表。目前國(guó)內(nèi)廠家量產(chǎn)產(chǎn)品大多采用此節(jié)點(diǎn)工藝，維安第一代產(chǎn)品也是基于此節(jié)點(diǎn)工藝進(jìn)行開發(fā)（目前已經(jīng)更新到第三代），但是此工藝較國(guó)際一線大廠還有一定差距。

第三代產(chǎn)品以芯片厚度150μm為代表。這個(gè)工藝節(jié)點(diǎn)也是國(guó)內(nèi)大多數(shù)廠家在21年底到22年初推出的新工藝平臺(tái)，大部分廠家目前還正在處于研發(fā)階段，部分國(guó)際一線大廠量產(chǎn)產(chǎn)品采用150μm工藝節(jié)點(diǎn)，例如CREE C6系列在此節(jié)點(diǎn)工藝進(jìn)行開發(fā)，但此工藝具國(guó)際最優(yōu)水平還有一定差距。

第四代產(chǎn)品以100μm厚度為代表。此工藝水平為目前國(guó)際最優(yōu)量產(chǎn)水平，國(guó)際上英飛凌C6等產(chǎn)品采用此節(jié)點(diǎn)工藝進(jìn)行開發(fā)，得到VF和電容性能的綜合優(yōu)勢(shì)，維安目前量產(chǎn)主推工藝也是采用此節(jié)點(diǎn)，工藝水平領(lǐng)先國(guó)內(nèi)主流1代~1.5代水平。

3年的潛心研發(fā)，加之在開發(fā)過程中不斷自我優(yōu)化迭代，維安碳化硅肖特基產(chǎn)品歷經(jīng)250μm、150μm、100μm三次更新，目前量產(chǎn)產(chǎn)品全部采用100μm節(jié)點(diǎn)（維安第三代）薄片工藝，通過降低芯片厚度降低導(dǎo)通損耗和使用縮小有效結(jié)面積的方法降低電容，使器件電流密度，導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗等器件參數(shù)性能優(yōu)于同行業(yè)水平。

圖5 維安碳化硅肖特基結(jié)構(gòu)迭代示意圖

手機(jī)等消費(fèi)類電源、太陽能逆變電源、新能源電動(dòng)汽車及充電樁、工業(yè)控制特種電源……作為一個(gè)重要的快速發(fā)展的應(yīng)用領(lǐng)域，電源行業(yè)的發(fā)展受益于功率器件技術(shù)進(jìn)步，反過來又推動(dòng)了功率器件的研發(fā)制造活動(dòng)。在電源模塊中使用碳化硅肖特基器件，具有以下優(yōu)勢(shì)：

開關(guān)損耗極低；

較高的開關(guān)頻率；

結(jié)溫高，從而降低了冷卻要求和散熱要求；

更小封裝，適合更緊湊的方案。

政府產(chǎn)業(yè)鼓勵(lì)政策固然重要，但是，真正的市場(chǎng)需求，更好的用戶體驗(yàn)，以及產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)，才是引爆市場(chǎng)的關(guān)鍵。

維安碳化硅肖特基推出以下系列產(chǎn)品：

表2 維安650V系列碳化硅肖特基二極管

表3 維安1200V系列碳化硅肖特基二極管

維安產(chǎn)品仍在不斷自我優(yōu)化，正在開發(fā)第四代產(chǎn)品，持續(xù)推出損耗更小，開關(guān)速度更高的碳化硅肖特基器件。

審核編輯黃昊宇