【導讀】在功率電子領域，要論如今炙手可熱的器件，SiC要說是第二，就沒有人敢說第一了。隨著原有的Si基功率半導體器件逐漸接近其物理極限，由第三代SiC功率器件接棒來沖刺更高的性能，已經(jīng)是大勢所趨。
與傳統(tǒng)的Si材料相比，SiC具有更寬的禁帶，以及更高的擊穿電場、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。具體來講：
● SiC的禁帶是Si的3倍，可轉化為高10倍的擊穿電場，因此有利于實現(xiàn)更高電壓（如1,200V或更高）的功率器件。
● 較高的擊穿電場令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，這意味著功率損耗產(chǎn)生的熱量更容易傳導出去，以實現(xiàn)更佳的散熱特性。
● 由于具有較高的熔點，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降低，有利于降低冷卻系統(tǒng)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具有更低的開關損耗和更高性能的體二極管，可實現(xiàn)更高的開關頻率。開關頻率的提高，意味著系統(tǒng)設計時可以選用更小的外圍元件，可以讓系統(tǒng)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，這些特性使其在實現(xiàn)更高的開關速度同時，可以降低開關損耗。
總之，采用SiC功率器件可以讓功率電子系統(tǒng)實現(xiàn)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懸念。
電動汽車拉動SiC市場成長
不過，也正是成本高、產(chǎn)能低、配套技術生態(tài)欠完善等因素，在相當長的一段時間里制約了SiC器件在商業(yè)領域的滲透速度。這種狀況一直持續(xù)到了2018年。
這一年，電動汽車領域發(fā)生的一件事，極大地改變了SiC半導體的市場走向——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%，進而讓電動車的續(xù)航顯著提升。從此，一石激起千層浪，電動汽車領域的玩家紛紛跟進，掀起了SiC器件市場的一陣熱潮。
眾所周知，汽車電氣化的進程勢不可擋。根據(jù)IHS Markit的預測，2025年全球將有45%的汽車生產(chǎn)實現(xiàn)電氣化，全年將銷售約4,600萬輛電動汽車；而到2030年，這兩個數(shù)字將上升到57%和6,200萬輛。
而且，在電動汽車中，除了主驅逆變器外，車載充電機 (OBC)、電源轉換系統(tǒng) (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。伴隨著電動汽車市場的成長，SiC的需求也將呈現(xiàn)出更為陡峭的上行趨勢。
圖1：汽車電氣化拉動SiC需求的增長（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(tǒng)解決方案價格仍然較高。但也有人測算過，電動汽車逆變器使用SiC解決方案后, 可以讓整車功耗減少5%-10%，雖然由此會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，綜合計算下來可使整車成本節(jié)省約2,000美元左右。這樣的結論，顯然是SiC半導體市場的強心劑。
每一個行業(yè)“風口”都會吸引更多的玩家進入，SiC半導體市場也不例外。不過鑒于汽車行業(yè)的特殊性，這個領域的“金主”往往對于元器件供應商的選擇更為苛刻，只有SiC領域頭部的元器件廠商才有機會進入他們的法眼。
在SiC的頭部玩家中，安森美(onsemi)是表現(xiàn)頗為亮眼的一家。只要簡單地搜索新聞我們就會發(fā)現(xiàn)，僅在2023年公開宣布采用安森美 EliteSiC系列SiC產(chǎn)品或開展長期深度合作的車企和電動汽車領域的技術供應商，就包括現(xiàn)代汽車、起亞集團、大眾汽車、極氪智能科技(ZEEKR)、Kempower、緯湃科技 (Vitesco)、博格華納 (BorgWarner) 等。之所以會得到行業(yè)的厚愛，與安森美背后堅實的實力支撐不無關系。
直擊市場痛點的產(chǎn)品
想要躋身一個領域頭部玩家的俱樂部，首當其沖的當然是要有能夠滿足市場需求的過硬產(chǎn)品。
以電動汽車來講，提升續(xù)航里程和縮短充電時間是當下的主要痛點，也是決定消費者購買決策的關鍵。而想要解決這個痛點，提升電動汽車電池組的電壓，從目前的400V平臺遷移到800V平臺是至關重要的一步。此舉的好處有兩點：一方面，在充電模式下，較高的電池電壓會降低電池充電所需的電流，并且縮短充電時間；另一方面，在車輛行駛時，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(tǒng)效率。
而實現(xiàn)800V的架構，需要車輛中其他的功率電子系統(tǒng)都進行相應的升級。具體到OBC，在設計升級時有兩個因素十分關鍵：電壓和開關頻率，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及相關應用的理想選擇。
圖2：1200V EliteSiC M3S MOSFET（圖源：安森美）
先從電壓上來看。系統(tǒng)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，還有一個重要的優(yōu)化，就是在開關性能上。這些MOSFET導通電阻極低（包括 13 / 22 / 30 / 40 / 70mΩ），以符合車規(guī)的NVH4L022N120M3S為例，其在1200V時的導通電阻RDS(ON)低至22mΩ。根據(jù)安森美提供的測試數(shù)據(jù)，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（品質因數(shù)）減小了44%，這就意味著在導通電阻RDS(ON)相同的情況下，M3S MOSFET只需要其他器件56%的開關柵極電荷。
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的開關性能大幅改善——EOFF相比M1降低了40%，EON降低了20-30%，總開關損耗降低了34%。在高開關頻率應用中，這將消除導通電阻RDS(ON)溫度系數(shù)較高的缺點。
圖3：M3S MOSFET電感開關損耗（圖源：安森美）
支持更高的電壓，有助于實現(xiàn)更高的功率，讓充電更快，還可以減少整車所需的電流，從而降低電源系統(tǒng)、電池和OBC之間的電纜成本；開關頻率的提升，有助于系統(tǒng)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(tǒng)體積，實現(xiàn)更緊湊的尺寸，為車輛中其他組件提供更多的空間——1200V EliteSiC M3S MOSFET的這兩點優(yōu)勢，剛好命中了電動汽車客戶的需求痛點，這顯然是讓他們“下單”很具有說服力的理由，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這樣能夠直擊市場痛點的產(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整體解決方案的關鍵，也是安森美深厚技術積淀的體現(xiàn)。
從產(chǎn)品類別上看，目前安森美 EliteSiC系列包括SiC二極管、SiC MOSFET、SiC模塊和Si/SiC混合模塊四個子類，這意味著客戶無論是希望激進地研發(fā)全SiC的產(chǎn)品，還是選擇一種穩(wěn)妥的漸進式升級路徑，都可以在EliteSiC產(chǎn)品組合中找到相應的解決方案。
而從各個子類中，更是能看出安森美 SiC產(chǎn)品的豐富和多樣性。比如在SiC MOSFET類別，安森美的產(chǎn)品就包括650V、900V、1200V和1700V電壓級別，而且陸續(xù)研發(fā)出了三代產(chǎn)品，每一代產(chǎn)品都根據(jù)特定市場應用的需求進行了迭代優(yōu)化。
M1系列
安森美的初代SiC MOSFET，主推1200V器件，適用于工業(yè)和汽車應用，支持20kHz范圍內工作的系統(tǒng)，著重在低導通損耗和穩(wěn)定可靠性方面進行了優(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，特別針對快速開關應用進行了優(yōu)化。上文提到的M3S MOSFET就是M3系列下的一個子系列。
表1：EliteSiC MOSFET各個系列特性（資料來源：安森美）
隨著市場的發(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域而設計的產(chǎn)品——由此可見，雖然當下電動汽車市場SiC的行情如火如荼，但是安森美也沒有放松在其他應用領域的產(chǎn)品布局。
可再生能源應用正不斷向更高的電壓發(fā)展，其中太陽能系統(tǒng)直流母線正從1100V向1500V演進。為了支持這一技術變革，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的快速開關應用，且具有更高的系統(tǒng)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關速度、更高功率的可再生能源應用中實現(xiàn)高能效至關重要。
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(zhàn)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的各種設計需求，同時也不會錯失現(xiàn)在和未來任何一個市場風口。
垂直整合的SiC產(chǎn)業(yè)鏈
隨著SiC市場的大熱，在未來一段時間，下游廠商都難免受到SiC器件產(chǎn)能吃緊這一瓶頸的困擾。為此，很多系統(tǒng)廠商都會采用和SiC器件供應商簽署長期供貨協(xié)議這種深度綁定的方式，來規(guī)避相應的供應鏈風險。這時，對SiC半導體廠商產(chǎn)能和質量穩(wěn)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SiC產(chǎn)業(yè)鏈進行垂直整合，將影響產(chǎn)能和產(chǎn)品品質的要素緊緊掌握在自己的手中！
通過一系列的收購和整合工作，目前安森美已經(jīng)實現(xiàn)了SiC器件生產(chǎn)制造能力的垂直整合，是目前世界上為數(shù)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、襯底、外延、器件制造、模塊集成和分立封裝等在內的整個制造流程。此舉無疑為安森美的SiC供應鏈帶來了易于擴展、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）
而且在整個制造流程中，安森美實施了全面的可靠性和質量測試，以避免產(chǎn)品出現(xiàn)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)過宇宙輻射測試；同時還會對SiC外延生長前后進行缺陷掃描。
除了上述對制造能力的垂直整合，安森美也在著力打造更完善的SiC器件應用開發(fā)生態(tài)，包括專家支持、設計工具、仿真工具，以及詳盡的技術文檔等，以響應客戶設計和開發(fā)各個階段的需求。
其中的安森美新發(fā)布的Elite Power仿真工具就是一個亮點。這款仿真工具能夠準確呈現(xiàn)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疑會讓公司圍繞SiC構建的技術支持體系更為完善，從宏觀的角度上看，也是在彌補整個SiC產(chǎn)業(yè)鏈上的缺環(huán)，以做大整個SiC的市場蛋糕。
本文小結
根據(jù)Yole的預測，從2021到2027年，全球SiC功率器件市場規(guī)模將從10.90億美元增長到62.97億美元，其中車規(guī)級SiC器件市場將從2021年的6.85億美元增長至2027年的49.86億美元，年復合增長率高達39.2%。
要想成為這個高速增長的新興半導體市場的頭部玩家，瞄準市場熱點的創(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。安森美就是圍繞著這三個方面不斷深耕，構建起了自己在SiC這個“新世界”的版圖。想要走入其中，一探究竟，就隨我們來吧！
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