SiC(碳化硅)主场即将开启,你做好准备了吗?

安森美半导体 2020-10-19

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文章来源:电子工程世界

作者:汤宏琳


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。


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?安森美半导体懂你


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。




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安森美半导体 安森美半导体(纳斯达克代码:ON)致力于推动高能效创新,以基于半导体的电源管理、模拟、传感、逻辑、时序、互通互联、分立、系统级芯片及定制方案,解决在汽车、通信、计算机、消费电子、工业、医疗、航空及国防应用的挑战。
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