内行看门道 —— 如何比较SiC第三代半导体功率器件的性能,兼评市面上主要SiC产品技术先进性

2021-03-16 09:12:42 40




导读:氮化镓GaN、碳化硅Silicon Carbide(简称SiC)为第三代半导体具备优异的材料物理特性,在提升电力电子器件的性能提供了更大的空间。SiC功率器件作为电源系统最基础的半导体零部件,因其广泛的军民应用场景如,电动汽车,高铁,太阳能、风能电网并网,UPS不间断电源,电磁弹射等领域大幅度提升功率能源效率,成为新能源市场的新宠。


开篇前的闲聊

第三代半功率器件的重要性是提升功率,增强效率,减小体积不可绕过的领域。国家逐渐对半导体领域的重视,以及资本市场也开始纷纷投来关注,特别是在贸易战忽明忽暗的局势中,大家更是意识到自主化生产功率器件的重要性。如同游戏中的所需的必要装备,为了合成神器,功率器件这一份元素是无论如何也绕不开的话题。如今三代半功率器件板块的国产队伍也纷纷异军突起,异常热闹,其中派恩杰公司已经生产出性能优秀的碳化硅功率器件。

下面正式来聊聊SiC的性能优异表现在哪些方面。


功率器件的损耗值


功率器器件其性能的重要指标无外乎是其总体损耗total loss,它包含两部分,一个是导通损耗(Conduction Loss)一个是开关损耗(Switching Loss)。也就是说损耗越低,效率越高,从而能得到更小的体积,更高的效率和更轻的重量,更适合现代化应用需求。例如特斯拉Model 3之所以能够将价格降低到25万左右,其中一个很重要的原因就是因为他们使用了SiC方案,使得电池性能提升,体积重量变小,从而减少其它方面的成本。


为了帮助应用商及资本方了解行业内功率半导体器件及其主要参数指标是怎么在业内被比较和评估的,我们将在下文中横向对比各个同时简评一下各家拥有SiC MOSFET器件产品的技术优劣。


                           派恩杰参数领先

在老一代电力电子应用中,由于开关频率偏低,导通损耗占主要地位,一位本行业的开山鼻祖,美国科学院院士Jayant B. Baliga教授(下文简称巴神) 早在1989年就提出了一个评价功率器件导通损耗的品质因数

(参见[i]),ε其中是半导体材料电介常数,μ是电子迁移率EC击穿电场。根据巴神的公式,如果我们把硅材料的BFM因数作为1个单位,那么SiC材料的BFM因数是231个单位。这有什么意义呢?这说明,制作同样高电压的多子功率器件(MOSFET,肖特基二极管等), SiC材料的导通电阻小230倍!这意味着同样电流下的导通损耗,SiC器件也比硅器件也小230倍!GaN相对硅的归一化BFM是2097,Ga2O3是6170!用通俗话来总结就是,巴神早在1980年代就预言,未来的功率半导体一定是宽禁带半导体的天下


图片i

Jayant B. Baliga 

随着近20多年电力电子技术的发展,人们发现开关更高的开关频率可以减少电路中电容和电感等被动元件的使用,减小系统体积和重量。但是,随着系统频率的升高,功率器件的开关损耗日益显著,所需散热系统的成本和体积也相应变大,导致系统不能进一步通过提高频率得到显著优化。另外一名著名教授,Alex Q. Huang,在2004年提出一个综合评价器件导通损耗和开关损耗的品质因数

(参见[ii]),其中Rds,on是器件的导通电阻,与导通损耗成正比,Qgd是器件栅漏米勒电容所存储的电荷,与开关损耗成正比。同时,因为Rds,on跟器件面积成反比,Qgd跟器件面积成正比,他们的乘积刚好抵消器件面积(或者说成本)的影响,展示出这个器件在高频工作下总体损耗水平。也用通俗的话来总结就是,HDFM品质因数越小,象征着器件的总体损耗就越小,效率就越高

Alex Q. Huang

采用这个方法,我们来比较一下市面上各大SiC MOSFET 供应商的产品性能:


厂家

英飞凌

意法

科瑞

罗姆

派恩杰

某国产品牌

产地

欧洲

欧洲

美国

日本

中国

中国

技术平台

第一代沟槽

第二代平面

第三代平面

第三代沟槽

第三代平面

第?代平面

Rds,on (m)

90

60

75

80

80

80

Qgd (nC)

5

35

20

25

9.3

54

21.2

45.8

38.7

44.7

27.3

65.7

归一化HDFM

1

2.16

1.83

2.11

1.29

3.10

*以上数据来自互联网可公开下载的datasheet。


我们通过这个对比表格先说结论吧。在平面MOS技术中,作为国产品牌的派恩杰半导体的产品已经世界领先,并且非常接近工艺复杂的沟槽MOS技术!在理想情况下,同样的应用场景,如果以英飞凌最新的CoolSiC器件作为对标,且该器件的总体功耗最低为10W,派恩杰的SiC MOSFET功耗为12.9W,科瑞的产品功耗为18.3W, 意法半导体和罗姆的功耗接近为21W,某国产品牌的功耗为31W。



结语

在交通工具电气化,新大基建等项目的推动下,碳化硅器件将成为各大电源厂的战略布局重点。特斯拉全面与意法半导体合作,大众汽车拥抱科瑞……能抢占SiC功率器件的最新技术和产能的电源厂将得到不可比拟的战略优势。


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