【導(dǎo)讀】在功率電子領(lǐng)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(dǎo)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(shì)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(chǎng)、熱導(dǎo)率和工作溫度，這決定了基于SiC的功率器件性能優(yōu)勢(shì)明顯。具體來講：
● SiC的禁帶是Si的3倍，可轉(zhuǎn)化為高10倍的擊穿電場(chǎng)，因此有利于實(shí)現(xiàn)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(dǎo)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(dǎo)出去，以實(shí)現(xiàn)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(dá)200°C以上，對(duì)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(shè)計(jì)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(guān)損耗和更高性能的體二極管，可實(shí)現(xiàn)更高的開關(guān)頻率。開關(guān)頻率的提高，意味著系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)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(shí)現(xiàn)更高的開關(guān)速度同時(shí)，可以降低開關(guān)損耗。
總之，采用SiC功率器件可以讓功率電子系統(tǒng)實(shí)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(yīng)該是毫無懸念。
電動(dòng)汽車?yán)瓌?dòng)SiC市場(chǎng)成長(zhǎng)
不過，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(dāng)長(zhǎng)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(xù)到了2018年。
這一年，電動(dòng)汽車領(lǐng)域發(fā)生的一件事，極大地改變了SiC半導(dǎo)體的市場(chǎng)走向——特斯拉宣布，在Model 3的主驅(qū)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)車的續(xù)航顯著提升。從此，一石激起千層浪，電動(dòng)汽車領(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，汽車電氣化的進(jìn)程勢(shì)不可擋。根據(jù)IHS Markit的預(yù)測(cè)，2025年全球?qū)⒂?5%的汽車生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)電氣化，全年將銷售約4,600萬(wàn)輛電動(dòng)汽車；而到2030年，這兩個(gè)數(shù)字將上升到57%和6,200萬(wàn)輛。
而且，在電動(dòng)汽車中，除了主驅(qū)逆變器外，車載充電機(jī) (OBC)、電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng) (DC/DC) 以及充電樁等功率電子設(shè)備都將為SiC器件提供巨大的應(yīng)用空間。更為重要的是，隨著對(duì)更大功率、更高電壓、高效電源轉(zhuǎn)換小型化設(shè)計(jì)的需求，SiC器件在很多應(yīng)用中都將成為不二之選。伴隨著電動(dòng)汽車市場(chǎng)的成長(zhǎng)，SiC的需求也將呈現(xiàn)出更為陡峭的上行趨勢(shì)。
圖1：汽車電氣化拉動(dòng)SiC需求的增長(zhǎng)（圖源：安森美）
當(dāng)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(jià)格仍然較高。但也有人測(cè)算過，電動(dòng)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(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(jì)算下來可使整車成本節(jié)省約2,000美元左右。這樣的結(jié)論，顯然是SiC半導(dǎo)體市場(chǎng)的強(qiáng)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(dǎo)體市場(chǎng)也不例外。不過鑒于汽車行業(yè)的特殊性，這個(gè)領(lǐng)域的“金主”往往對(duì)于元器件供應(yīng)商的選擇更為苛刻，只有SiC領(lǐng)域頭部的元器件廠商才有機(jī)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(xiàn)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(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(zhǎng)期深度合作的車企和電動(dòng)汽車領(lǐng)域的技術(shù)供應(yīng)商，就包括現(xiàn)代汽車、起亞集團(tuán)、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(huì)得到行業(yè)的厚愛，與安森美背后堅(jiān)實(shí)的實(shí)力支撐不無關(guān)系。
直擊市場(chǎng)痛點(diǎn)的產(chǎn)品
想要躋身一個(gè)領(lǐng)域頭部玩家的俱樂部，首當(dāng)其沖的當(dāng)然是要有能夠滿足市場(chǎng)需求的過硬產(chǎn)品。
以電動(dòng)汽車來講，提升續(xù)航里程和縮短充電時(shí)間是當(dāng)下的主要痛點(diǎn)，也是決定消費(fèi)者購(gòu)買決策的關(guān)鍵。而想要解決這個(gè)痛點(diǎn)，提升電動(dòng)汽車電池組的電壓，從目前的400V平臺(tái)遷移到800V平臺(tái)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(jī)功率輸出或提高系統(tǒng)效率。
而實(shí)現(xiàn)800V的架構(gòu)，需要車輛中其他的功率電子系統(tǒng)都進(jìn)行相應(yīng)的升級(jí)。具體到OBC，在設(shè)計(jì)升級(jí)時(shí)有兩個(gè)因素十分關(guān)鍵：電壓和開關(guān)頻率，而這正好都是SiC器件的強(qiáng)項(xiàng)。
安森美推出的1200V EliteSiC M3S MOSFET就是800V OBC及相關(guān)應(yīng)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(gòu)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(tái)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(shè)計(jì)。
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，就是在開關(guān)性能上。這些MOSFET導(dǎo)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(shí)的導(dǎo)通電阻RDS(ON)低至22mΩ。根據(jù)安森美提供的測(cè)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(qū)動(dòng)器的灌電流和拉電流。在默認(rèn)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(shù)）減小了44%，這就意味著在導(dǎo)通電阻RDS(ON)相同的情況下，M3S MOSFET只需要其他器件56%的開關(guān)柵極電荷。
與M1相比，M3S在其寄生電容COSS中存儲(chǔ)的能量EOSS更少，因此在更輕的負(fù)載下具有更高的效率。如圖3所示，M3S的開關(guān)性能大幅改善——EOFF相比M1降低了40%，EON降低了20-30%，總開關(guān)損耗降低了34%。在高開關(guān)頻率應(yīng)用中，這將消除導(dǎo)通電阻RDS(ON)溫度系數(shù)較高的缺點(diǎn)。
圖3：M3S MOSFET電感開關(guān)損耗（圖源：安森美）
支持更高的電壓，有助于實(shí)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(guān)頻率的提升，有助于系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員使用更小的電感器、變壓器和電容器等儲(chǔ)能元件，從而縮小系統(tǒng)體積，實(shí)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(diǎn)優(yōu)勢(shì)，剛好命中了電動(dòng)汽車客戶的需求痛點(diǎn)，這顯然是讓他們“下單”很具有說服力的理由，當(dāng)然也是安森美能夠在SiC競(jìng)爭(zhēng)中獲得先發(fā)優(yōu)勢(shì)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(yīng)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(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(gè)子類，這意味著客戶無論是希望激進(jìn)地研發(fā)全SiC的產(chǎn)品，還是選擇一種穩(wěn)妥的漸進(jìn)式升級(jí)路徑，都可以在EliteSiC產(chǎn)品組合中找到相應(yīng)的解決方案。
而從各個(gè)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(jí)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(chǎng)應(yīng)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)和汽車應(yīng)用，支持20kHz范圍內(nèi)工作的系統(tǒng)，著重在低導(dǎo)通損耗和穩(wěn)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(yīng)用，并提供了針對(duì)這些電壓級(jí)別而優(yōu)化的新型單元結(jié)構(gòu)。
M3系列
1200V器件，特別針對(duì)快速開關(guān)應(yīng)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（資料來源：安森美）
隨著市場(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(shè)計(jì)的產(chǎn)品——由此可見，雖然當(dāng)下電動(dòng)汽車市場(chǎng)SiC的行情如火如荼，但是安森美也沒有放松在其他應(yīng)用領(lǐng)域的產(chǎn)品布局。
可再生能源應(yīng)用正不斷向更高的電壓發(fā)展，其中太陽(yáng)能系統(tǒng)直流母線正從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的快速開關(guān)應(yīng)用，且具有更高的系統(tǒng)可靠性。在1200V、40A的測(cè)試條件下，1700V EliteSiC MOSFET的柵極電荷(Qg) 僅為200nC，這一特性對(duì)于在更快開關(guān)速度、更高功率的可再生能源應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)高能效至關(guān)重要。
圖4：1700V EliteSiC MOSFET（圖源：安森美）
顯然，不斷擴(kuò)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(yīng)客戶的各種設(shè)計(jì)需求，同時(shí)也不會(huì)錯(cuò)失現(xiàn)在和未來任何一個(gè)市場(chǎng)風(fēng)口。
垂直整合的SiC產(chǎn)業(yè)鏈
隨著SiC市場(chǎng)的大熱，在未來一段時(shí)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(huì)采用和SiC器件供應(yīng)商簽署長(zhǎng)期供貨協(xié)議這種深度綁定的方式，來規(guī)避相應(yīng)的供應(yīng)鏈風(fēng)險(xiǎn)。這時(shí)，對(duì)SiC半導(dǎo)體廠商產(chǎn)能和質(zhì)量穩(wěn)健性的要求就顯得尤為重要了。
安森美對(duì)此的應(yīng)對(duì)舉措就是，對(duì)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！
通過一系列的收購(gòu)和整合工作，目前安森美已經(jīng)實(shí)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(yīng)商，涵蓋SiC材料生長(zhǎng)、襯底、外延、器件制造、模塊集成和分立封裝等在內(nèi)的整個(gè)制造流程。此舉無疑為安森美的SiC供應(yīng)鏈帶來了易于擴(kuò)展、成本優(yōu)化的優(yōu)勢(shì)。
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(cè)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(yàn)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(cè)試；同時(shí)還會(huì)對(duì)SiC外延生長(zhǎng)前后進(jìn)行缺陷掃描。
除了上述對(duì)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(yīng)用開發(fā)生態(tài)，包括專家支持、設(shè)計(jì)工具、仿真工具，以及詳盡的技術(shù)文檔等，以響應(yīng)客戶設(shè)計(jì)和開發(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(zhǔn)確呈現(xiàn)出采用EliteSiC系列產(chǎn)品包括EliteSiC邊界情形的電路運(yùn)行情況，幫助電力電子工程師加快設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)出整合EliteSiC產(chǎn)品的電源應(yīng)用（圖源：安森美）
安森美的這些努力無疑會(huì)讓公司圍繞SiC構(gòu)建的技術(shù)支持體系更為完善，從宏觀的角度上看，也是在彌補(bǔ)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(jié)
根據(jù)Yole的預(yù)測(cè)，從2021到2027年，全球SiC功率器件市場(chǎng)規(guī)模將從10.90億美元增長(zhǎng)到62.97億美元，其中車規(guī)級(jí)SiC器件市場(chǎng)將從2021年的6.85億美元增長(zhǎng)至2027年的49.86億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率高達(dá)39.2%。
要想成為這個(gè)高速增長(zhǎng)的新興半導(dǎo)體市場(chǎng)的頭部玩家，瞄準(zhǔn)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。安森美就是圍繞著這三個(gè)方面不斷深耕，構(gòu)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，就隨我們來吧！
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