SiC（碳化硅）為人們熟知還要感謝電動(dòng)汽車率先打響了搭載的第一槍，特別是特斯拉，據(jù)說其平均每2輛電動(dòng)車就需要一片6英寸SiC晶圓；SiC器件市占率高達(dá)6成的科銳（Cree）產(chǎn)能幾乎被它包了一半。

市場(chǎng)調(diào)研公司Yole Développement在《電動(dòng)出行之功率電子2021》中指出：“在市場(chǎng)增長(zhǎng)和設(shè)計(jì)機(jī)會(huì)方面，SiC已成為最具活力的技術(shù)之一。SiC正在滲透到汽車應(yīng)用的新賽道?！盰ole預(yù)計(jì)，這一市場(chǎng)在2023年之前仍可保持44％的增長(zhǎng)速度。

電動(dòng)汽車為什么熱衷SiC？

本世紀(jì)初，SiC器件開始商業(yè)應(yīng)用，20年里，已經(jīng)從高端市場(chǎng)的專利演變?yōu)榇蟊娛袌?chǎng)應(yīng)用。隨著越來越多公司對(duì)SiC器件感興趣并持續(xù)投資，其發(fā)展勢(shì)頭與日俱增。作為硅的“年輕競(jìng)爭(zhēng)者”，2020年SiC市場(chǎng)價(jià)值已超過6億美元。

Yole功率電子技術(shù)與市場(chǎng)分析師Ana Villamor認(rèn)為：“電動(dòng)汽車基本上有三種轉(zhuǎn)換器：主逆變器、DC－DC和OBC。由于功率水平較高，主逆變器是最大的市場(chǎng)，其功率半導(dǎo)體含量最高?！?/p>

在功率半導(dǎo)體市場(chǎng)，預(yù)計(jì)2026年SiC模塊價(jià)值將比2020年翻一番。事實(shí)上，目前SiC模塊成本仍是650V IGBT模塊的3倍，但生產(chǎn)規(guī)模較大時(shí)，這種差異將會(huì)縮小，過渡到8英寸晶圓以及1200V器件的滲透，將有助于使用更高的電池電壓，進(jìn)一步提升效率。

正如Yole的團(tuán)隊(duì)在報(bào)告中所分析的那樣，EV／HEV供應(yīng)鏈繼續(xù)受到需求和技術(shù)趨勢(shì)增長(zhǎng)的影響。為電動(dòng)汽車提供領(lǐng)先半導(dǎo)體的制造商，如英飛凌科技、三菱電機(jī)、意法半導(dǎo)體、羅姆、日立、東芝、安森美、UnitedSiC、CISSOID等眾多企業(yè)都推出了與汽車相關(guān)的最新SiC產(chǎn)品，正在為Tier 1、主機(jī)廠提供SiC功率模塊，也包括分立器件。

這只是一個(gè)縮影

勢(shì)頭迅猛的電動(dòng)出行對(duì)SiC的拉動(dòng)只是一個(gè)縮影。清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系教授趙爭(zhēng)鳴認(rèn)為：“人們之所以非常熱衷于SiC，是因?yàn)樗哂须娏﹄娮討?yīng)用期待的三高特性：高頻、高溫、高壓。但理論與現(xiàn)實(shí)差距還是有的，特別是當(dāng)你真正使用這種器件時(shí)。”

他指出，功率器件就是一個(gè)開關(guān)，利用開關(guān)頻率對(duì)電力進(jìn)行采樣，得到所需的波形，雖然頻率越高越好，但高頻會(huì)增加損耗。在高頻應(yīng)用方面，因?yàn)镾iC器件大幅降低了損耗，頻率才能提上去，給電力電子設(shè)備帶來極大的好處。

有了SiC器件，就可以實(shí)現(xiàn)高頻，大幅提升設(shè)備特性。正是由于這一特征，SiC最早是二極管，后來是SiC MOSFET，中間曾經(jīng)有J－FET過渡產(chǎn)品，現(xiàn)在基本都是MOSFET，進(jìn)一步發(fā)展將是IGBT。做成器件后，其顯著特點(diǎn)是大電流、小通態(tài)電阻，為大電壓、大功率應(yīng)用帶來了很大好處。

趙爭(zhēng)鳴教授還表示，電力電子器件和微電子器件的最大區(qū)別是弱電控制強(qiáng)電?？刂频墓β试酱?，器件水平越高。其另一個(gè)特點(diǎn)是高電壓，擊穿場(chǎng)強(qiáng)可以高十倍，從而把耐壓提上去。從原來80mΩ到16mΩ，差不多是5倍，1200V就可以通過650A電流；10kV可以做成SiC MOSFET，15kV可以做成SiC IGBT，22kV可以做成SiC BJT。

這么高功率的器件原來只能用晶閘管來做，IGBT做不到。SiC的初期一般是低電壓、大電流，或者小電流、高電壓，現(xiàn)在同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高電壓和大電流，如3．3kV，750A及10kV，240A SiC MOSFET，覆蓋的電壓和電流等級(jí)越來越大，并且還在發(fā)展中，所以今后大功率SiC將是主流，值得期待。

應(yīng)用方面，由于SiC器件電壓和電流越來越大，從UPS電源到電動(dòng)汽車、全電飛機(jī)、高速電機(jī)等高壓應(yīng)用，以及新能源、高速鐵路、艦船、中壓配電網(wǎng)等大電流應(yīng)用都已進(jìn)入實(shí)用階段。

三代SiC器件的迭代

在SiC器件和封裝發(fā)展進(jìn)程中，窺一斑即可知全豹。三菱電機(jī)半導(dǎo)體大中國(guó)區(qū)應(yīng)用技術(shù)經(jīng)理馬先奎講述了這樣的歷程。

上世紀(jì)90年代初，三菱電機(jī)開始研發(fā)SiC產(chǎn)品；2010年，一些SiC器件已在各種各樣產(chǎn)品中商業(yè)化；2015年后，除了開發(fā)新器件外，一直在做從小功率到大功率產(chǎn)品的拓展。

在SiC芯片技術(shù)方面，2015年已開發(fā)出第二代產(chǎn)品；2018年推出第二代平面柵6英寸產(chǎn)品，針對(duì)高壓器件內(nèi)嵌了SBD芯片，并著手開發(fā)第三代溝槽柵芯片。其產(chǎn)品性能不斷提升，損耗不斷降低，以滿足更多應(yīng)用領(lǐng)域的需求。

第二代SiC MOSFET芯片仍采用平面柵結(jié)構(gòu)，特點(diǎn)首先是低通態(tài)損耗；還采用了JFET摻雜技術(shù)以及薄晶圓工藝。在導(dǎo)通電阻方面，通常JFET層和漂移層所占比重非常大，而隨著器件額定電壓升高，占比會(huì)越來越大。三菱電機(jī)通過JFET摻雜技術(shù)降低了JFET導(dǎo)通電阻，從而降低了器件損耗，還同步優(yōu)化了器件的開關(guān)損耗。

到了第三代SiC芯片，三菱電機(jī)采用了溝槽柵結(jié)構(gòu)，用多離子傾斜注入技術(shù)來形成MOSFET芯片。好處首先是柵氧場(chǎng)強(qiáng)降低了，芯片可靠性提升，加上之前的JFET摻雜技術(shù)降低了溝槽電阻，也優(yōu)化了導(dǎo)通電阻。此外，工藝的提升并沒有帶來特殊要求，其可生產(chǎn)性保持不變或加強(qiáng)了。

高壓SiC MOSFET晶圓則采用了另一個(gè)思路，內(nèi)嵌SBD技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了額定電壓3300V、6500V的模塊。其好處是，以前的產(chǎn)品需要在模塊中封裝MOSFET和SBD，現(xiàn)在用一個(gè)芯片實(shí)現(xiàn)，芯片面積小了很多。這樣，就可以給客戶帶來成本方面的效益。

除了高壓SiC MOSFET，三菱電機(jī)還在研發(fā)更高電壓的芯片，如雙極性器件、SiC IGBT，實(shí)際樣品也通過了驗(yàn)證，耐壓達(dá)到了13000V。

封裝成了提升可靠性和性能的關(guān)鍵

封裝是承載器件的載體，也是保證SiC芯片可靠性、充分發(fā)揮性能的關(guān)鍵。從封裝技術(shù)發(fā)展看，首先是分立式SiC MOSFET器件，從最初的TO－247 3腳到TO－247 4腳，后來是采用開爾文連接的TO－263 7腳封裝，雜散電感得到不斷優(yōu)化，特別是開爾文連接改善了驅(qū)動(dòng)，降低了模塊損耗，有助于提升SiC器件的性能。

SiC MOSFET模塊面世后，也在利用模塊封裝不斷降低雜散電感，以充分發(fā)揮SiC芯片性能；通過采用對(duì)稱布局和層疊端子，實(shí)現(xiàn)了更大功率的模塊；標(biāo)準(zhǔn)封裝也在逐漸被市場(chǎng)接受，可滿足各種多樣化需求。

對(duì)SiC MOSFET模塊來說，除了外形變化，更重要的是如何充分發(fā)揮器件性能，讓應(yīng)用更加簡(jiǎn)單、可靠。所推出的更高集成化的模塊，例如從常規(guī)MOSFET模塊到內(nèi)置RTC的模塊，甚至集成驅(qū)動(dòng)和保護(hù)的IPM模塊，功能不斷提升，使SiC性能得以在用戶的各種應(yīng)用中體現(xiàn)。

封裝技術(shù)的發(fā)展同時(shí)兼顧了充分發(fā)揮SiC芯片性能和實(shí)際應(yīng)用易用性與可靠性要求，以多樣化產(chǎn)品滿足了市場(chǎng)的廣泛需求。

分立式SiC器件依然故我

依然故我，卻并非不思進(jìn)取，一點(diǎn)也沒有改變，這就是分立式SiC器件。三菱電機(jī)半導(dǎo)體大中國(guó)區(qū)高級(jí)應(yīng)用工程師趙瑞表示，分立式SiC器件仍然是PFC、DC－DC、OBC等應(yīng)用中提升功率密度和效率不可或缺的器件，更何況SiC才剛剛開始導(dǎo)入各種應(yīng)用呢？

談到應(yīng)用場(chǎng)景，趙瑞認(rèn)為，分立式SiC器件，包括SiC二極管，廣泛適用于各種充電應(yīng)用系統(tǒng)，典型拓?fù)涫且粋€(gè)整流加上PFC、雙向DC－DC，以及PLC電路，其優(yōu)勢(shì)是減少電抗器、變壓器和散熱器尺寸。

三菱電機(jī)的N系列SiC MOSFET器件具有較低的鏡像電容，實(shí)現(xiàn)了無誤導(dǎo)通風(fēng)險(xiǎn)的寬短路安全工作區(qū)（SOA），且開關(guān)性能良好，開關(guān)損耗低；同時(shí)允許體二極管導(dǎo)通工作和柵極負(fù)偏置，可靠性高。N系列主要有1200V 80mΩ、40mΩ、22mΩ；封裝有TO－247－3、TO－247－4、TO－267－7 3封裝；每個(gè)型號(hào)都有工業(yè)版本和車規(guī)版本，滿足AEC－Q101規(guī)格。

好處還不止這些，在系統(tǒng)中采用SiC MOSFET方案，可以進(jìn)一步縮小體積，減少系統(tǒng)承載，降低系統(tǒng)成本，提高布局靈活度。

目前，三菱電機(jī)SiC器件采用第二代平面型芯片技術(shù)，以JFET摻雜降低JFET內(nèi)阻，同時(shí)縮小了JFET寬度，使反向輸出電容減小，在實(shí)現(xiàn)防誤導(dǎo)通高魯棒性的同時(shí)進(jìn)一步減少了開關(guān)損耗。

為防止誤導(dǎo)通風(fēng)險(xiǎn)，需要提高dV／dt（開關(guān)速度）下的輸入電容（Ciss）與反向電容（Crss）的比值，對(duì)比顯示，N系列比值很高，代表誤導(dǎo)通能力很強(qiáng)。另外是門檻電壓（VGSth）數(shù)值，N系列2．3V左右，但即使是在如此低的門檻電壓下，在無誤導(dǎo)通安全工作區(qū)，以及縱軸－5到－10V的門極關(guān)斷電壓（VGS＿off）內(nèi)，N系列在開關(guān)速度達(dá)到120V／ns都沒有誤導(dǎo)通，而其他競(jìng)品工作區(qū)小些，開關(guān)速度在70、80V／ns左右，需要把關(guān)斷門極電壓調(diào)低一些。

同樣，橫軸是開關(guān)速度，縱軸則是開關(guān)損耗。很明顯，開關(guān)速度越快，器件整體開關(guān)損耗越小。幾個(gè)競(jìng)品相比，實(shí)線代表N系列可以實(shí)現(xiàn)的無誤導(dǎo)通風(fēng)險(xiǎn)曲線，虛線表示如果速度加快，就可能有寄生導(dǎo)通風(fēng)險(xiǎn)。在整個(gè)橫軸，N系列都是實(shí)線。

三菱電機(jī)分立器件的推薦柵源極電壓是－5V到＋15V，其他友商絕大部分是0V到18V。SiC的門極有一個(gè)柵氧化層，存在門檻電壓漂移的問題，尤其是在負(fù)壓時(shí)，門檻電壓漂高后，會(huì)導(dǎo)致?lián)p耗增加，整個(gè)溫升就會(huì)增加，導(dǎo)致器件失效率上升。測(cè)試表明，通過使用負(fù)電壓，＋15、－5V脈沖偏置條件下門檻電壓都保持不變，充分發(fā)揮了SiC開關(guān)速度快的能力。

由于分立器件是單管，所以功率能力都比較小，所以不可避免會(huì)有并聯(lián)工作的場(chǎng)景。三菱電機(jī)的產(chǎn)品無論導(dǎo)通電阻，還是開關(guān)損耗，都是正溫度系數(shù)，有利于并聯(lián)；同時(shí)，門檻電壓偏差最大最小值在1V左右，而不是其他產(chǎn)品2V以上的水平。門檻電壓偏差值越小，實(shí)際應(yīng)用中并聯(lián)越簡(jiǎn)單、可靠。

現(xiàn)在市面上SiC分立式二極管比較多，三菱電機(jī)的策略是以全爭(zhēng)勝，產(chǎn)品涵蓋600V和1200V 10A、20A規(guī)格，還有車規(guī)器件。其二極管采用JBS結(jié)構(gòu)，可以降低導(dǎo)通壓降，同時(shí)提高正向浪涌能力。SiC－SBD基準(zhǔn)測(cè)試顯示，以20A器件為例，與競(jìng)品比較，三菱電機(jī)的正向?qū)ɡ擞考罢驂航刀急容^好。

實(shí)踐出真知

實(shí)際應(yīng)用表明，使用SiC器件開通損耗、關(guān)斷損耗、反向恢復(fù)損耗都可大幅下降，總體損耗減小了七倍，開關(guān)頻率大幅度提高。如趙爭(zhēng)鳴教授所說：“其實(shí)，原來的開關(guān)，包括硅基MOSFET和IGBT，開關(guān)頻率還可以往上提，但是越提損耗越高，效率下降就沒有意義了。”

電力電子變換器的第一指標(biāo)就是效率，效率低就沒有什么價(jià)值。提高采樣頻率波形就會(huì)更好，SiC的工作頻率比硅基器件高很多，可達(dá)4到5倍，總損耗顯著下降，這正是SiC應(yīng)用的主要驅(qū)動(dòng)力。