2020年09月03日 | SiC ( 碳化硅 )主场即将开启，你做好准备了吗？

就在我们还沉浸在Si器件带来的低成本红利时，很多关键型应用已经开始拥抱SiC了。
 
虽然SiC成本还有些略高，但它却有着自己得天独厚的优势：与Si相比，SiC介电击穿场强高10倍、电子饱和速度高2倍、能带隙高3倍和热导率高3倍。正因如此，SiC功率器件能够提供Si半导体无法达到的革命性性能，特别适合新能源、汽车、5G通信应用中对于高功率密度、高电压、高频率、高效率、以及高导热率的应用需求。

 
随着外延工艺的提升和成本的下降，SiC成了半导体领域炙手可热的当红材料，被称为商业前景最明朗的半导体材料之一，堪称半导体产业内新一代“黄金赛道”，其应用市场也在飞速拓展中。据安森美半导体电源方案部产品市场经理王利民介绍，仅2017年到2022年间，SiC市场年均复合增长率将高达35%，预计到2022年其市场容量将超过10亿美元。功率因数校正（PFC）、电动/混动汽车、电动/混动汽车基础设施、光伏、不间断电源（UPS）、电机驱动、铁路、风能等领域都是SiC大展拳脚的应用空间。
 
四大战略市场，布局未来

安森美半导体电源方案部产品市场经理王利民

那么究竟哪块市场是SiC最先起飞的赛道呢？又有哪些是SiC器件重点关注的领域呢？且让我们跟着安森美半导体的脚步来看看。王利民介绍，作为深耕电源应用领域多年的供应商，安森美半导体正在开发完整的器件生态系统，以支持宽禁带电源设计, 包括SiC二极管和SiC MOSFET、GaN HEMT、 SiC和GaN驱动器及集成模块等，这些器件将重点关注四大应用市场：电动汽车(EV)/混动汽车(HEV)、5G 电源和开关电源(SMPS)、电动汽车充电器/桩和太阳能逆变器。

1、电动汽车(EV)/混动汽车(HEV)

电动汽车的发展速度有目共睹，在汽车主驱逆变器、车载充电(OBC)和DC-DC级等应用中使用SiC器件，可以大大提升效率，增加续航能力。因而汽车应用成了SiC器件的主要驱动力之一，约占整个SiC总体市场容量60%左右。

无论从用户体验，还是从车厂基于续航里程报价的角度考虑，能效提升、续航里程的增加无疑为电动汽车市场开拓起着重要作用，因而目前几乎所有做主驱逆变器的厂家都在研究SiC作为主驱方向。同时，在车载充电(OBC)和DC-DC级应用领域，绝大部分厂家也在使用SiC实现高效、高压和高频率的应用。

此外，美国加利福尼亚州已签署行政命令，到2030年要实现500万辆电动车上路的目标；欧洲也有电动汽车全部替换燃油车的时间表；而在中国各大一线城市，电动汽车可以零费用上牌。这一系列政策都推动了电动汽车的大幅增长，而电动汽车对于高压、高频率和高效率器件的需求也推动了SiC市场的大幅增长。
 
2、5G电源和开关电源（SMPS）领域

传统的开关电源领域在Boost电路及高压电源应用中，对功率密度一直有着持之以恒的追求。从最早通信电源，到现在5G通信电源、云数据中心电源，都对能效有非常高的要求。SiC器件高达98%的能效，完美契合了电源和5G电源市场发展，在这个应用领域也有不俗的表现。
 
3、电动汽车充电器/桩

新基建、内循环等一系列策略都在快速地带动电动汽车充电桩的发展。充电桩的实现方案有很多种，现在消费者最感兴趣的就是直流快充，直流快充的充电桩需要非常大的充电功率以及非常高的充电效率，这些都需要通过高电压来实现。因而随着功率和速度要求的提高，越来越多的充电桩方案将使用SiC MOSFET，自然电动汽车充电桩也是安森美半导体SiC器件重点关注市场之一。
 
4、太阳能逆变器

SiC在太阳能逆变器领域的使用量也很大，且市场在蓬勃发展，王利民介绍，目前全球1%的电力来自太阳能，预计未来10-15年将达到15%的能源来自太阳能。据悉，中国国家能源局(NEA)设定了清洁能源目标，到2030年满足中国20%的能源需求。同时，欧盟也设定目标，到2020年，能效提高20%，二氧化碳排放量降低20%，可再生能源达到20%。政策驱动使得越来越多的SiC器件应用于太阳能逆变器Boost电路，并且随着太阳能逆变器成本的优化，越来越多的厂商将会使用SiC MOSFET作为主逆变的器件，来替换原来的三电平逆变器控制的复杂电路。
 
SiC器件如何使用？安森美懂你

面对当前的市场竞争，SiC产品的高效率、高能效、高功率密度、高压诚然非常有吸引力，但成本也是客户不得不考虑的问题。对此，安森美半导体在提供全球领先可靠性的前提下，能够提供集成制造和无与伦比的规模推动卓越的成本结构。同时还提供全球快速响应的供应链服务和广泛的可选产品阵容。

可靠性是器件使用的前提条件，王利民表示，安森美半导体SiC器件拥有领先的可靠性，且全部器件都符合车规。在半导体高温高湿反偏老化测试（H3TRB）中，同样测试条件下，安森美半导体SiC二极管可以通过1000小时的可靠性测试，而在实际测试中，安森美半导体还会将这个测试延长至2000小时，足以体现其SiC器件可靠性之高。

高性价比也是安森美半导体SiC器件的特性之一，其SiC MOSFET和二极管都是接近理想的开关器件，能够很好地结合Rds_on和低开关损耗，同时支持更高电压（>600V）。对此，王利民给出了一组理论上的对比数据：当同样达到1200V击穿电压时，各个器件要达到同样效率所需面积的对比。

 
此外，在方案中，如果将Si方案替换成SiC，其体积、功率密度以及整体BOM成本都会得到优化。如下图所示。

 
 
同时，为了助力工程师快速将SiC器件应用到设计中，安森美半导体还提供了基于其应用专长创建的完整解决方案，其中包括单管方案、模块方案以及各种电动车和混动车的车载充电器方案，并为这些方案提供整套电路图纸、BOM、Demo以及方案专家团队的鼎力支持。
 
安森美半导体能够提供完整的器件生态系统，以支持宽禁带电源设计, 包括SiC二极管和SiC MOSFET、GaN HEMT、 SiC和GaN驱动器及集成模块，全部器件或模块都满足汽车规范。
 
浪涌和雪崩是SiC二极管强固性主要表现之一。王利民介绍，在大幅提高效率同时，SiC二极管还有一个设计痛点，即不管在Boost 电路还是在PFC电路中，SiC二极管都要扛住浪涌电流。对此，安森美半导体提供了非常贴心的设计，以1200V 15A的SiC二极管为例，在毫秒级安森美半导体的的SiC二极管有10倍的过滤，在微秒级的SiC二极管有50倍的过滤。此外，针对电动汽车主驱或马达驱动的应用中，对于SiC二极管雪崩的要求，安森美半导体SiC二极管能够提供更高的雪崩能量。
 
此外，安森美半导体的MOSFET也几乎涵盖了市面上所有主流的SiC MOSFET，包括20mΩ、40mΩ、80mΩ、160mΩ的器件，封装涵盖TO-247 3脚以及D2PAK的7脚封装，并且所有的产品都提供工业规范和汽车规范。此外，安森美半导体还有900V的SiC MOSFET，20mΩ、60mΩ都是市面上最主流的一些规格。
 
王利民介绍，安森美半导体提供的是全生态的，包括器件、解决方案、仿真模型以及软件设计等整个一系列的SiC生态系统。针对目前所有处于持续增长的市场，安森美半导体都在开发相关的方案，为客户提供一整套的方案设计，同时还和业内重点客户建立了紧密的合作关系，包括联合实验室，共同开发等形式。未来，安森美半导体也将持续地、大幅地在SiC领域进行持续投入和生态的运营。