安森美半导体在毫秒级的的碳化硅二极管有10倍的过滤？
随着半导体材料步入第三代半导体时代 ， 行业巨头在SiC/GaN器件和模块上早已布局多年 。事实上 ， 从特性上来讲 ， SiC和GaN的优势是互补的 ， 应用覆盖了电动汽车（EV）、新能源、光伏逆变器、智能电器、医疗、通信射频 。
不过从细微差别来说 ， GaN（氮化镓）晶体管适合于高效率、高频率、高功率密度要求的应用场合；碳化硅（SiC）由于热导率是GaN的三倍以上 ， 因此在高温应用领域具有优势 ， 因此多用于1200V以上高温大电力领域 。GaN作为后进者 ， 由于器件水平发展历史原因 ， 主要还是在消费和射频领域；而SiC则是极限功率器件的理想材料 。
文章插图
SiC这种宽紧带材料相比硅来说 ， 拥有10倍的介电击穿场强、2倍电子饱和速度、3倍能带隙、3倍热导率 。这意味着 ， SiC器件可以获得明显的小型化、高能效、驱动强的系统性能 。数据显示 ， SiC的总市场容量（TAM）按终端市场显示 ， 到2022年将超过10亿美元 ， 复合年增长率高达35% 。
SiC应用十几年了 ， 现在这项第三代半导体材料发展现状如何了？采访人员连线了安森美半导体电源方案部产品市场经理王利民 ， 讲述安森美半导体在SiC上的故事 。
聚焦三大领域
纵观半导体全球市场 ， 安森美半导体位列前20大集成器件制造商 ， 尤其是在功率半导体这一细分领域 ， 通过一系列收购目前已成为全球第二大半导体分立和模块供应商 。王利民表示 ， 安森美的愿景是未来5年收入超过100亿美元 ， 成为全球前十大的整合元器件厂商（IDM） 。通过数据和排名 ， 足以见得安森美半导体的实力 。
王利民为采访人员介绍表示 ， 在SiC方面 ， 安森美半导体目前主要聚焦于电动汽车、可再生能源、5G和通信电源上 。
1、电动汽车（EV）：安森美认为电动汽车是未来几年SiC的主要驱动力 ， 约占总市场容量的60% 。通过SiC这项技术 ， 每年可增加多达750美元的电池续航力 。
2、可再生能源：在太阳能逆变器领域 ， SiC二极管使用量非常巨大 。数字显示 ， 如今已安装307 GW ， 至2025年将安装超过500 GW的太阳能逆变器 ， 预计10-15年将会有15%的能源来自太阳能 。
SiC半导体可应用于太能能逆变器的Boost ， 并随着逆变器成本优化 。王利民强调 ， 行业已有不少厂家开始使用SiC MOSFET作为主逆变的器件替换过去的三电平控制复杂电路 。
3、5G和通信电源：众所周知5G元年开启 ， 带动了整个AIoT的发展 ， 也是一个很大的市场 。传统的开关电源在Boost和高压电源上 ， 对功率密度一直有着持之以恒的追求 ， 从最早通信电源的金标、银标 ， 到现在5G通信电源、云数据中心电源 ， 对电源的能效要求越来越高 。SiC器件没有反向恢复 ， 使得电源能效可以达到98% 。
拥有三项优势
产品方面 ， 安森美半导体提供大范围的SiC MOSFET和SiC二极管 ， 并推出多代产品 。SiC二极管方面 ， 包括650/1200V/1700V二极管产品组合；SiC MOSFET则拥有650/750/900/1200/1700V产品 。
那么 ， 这些产品拥有哪些特性？王利民为采访人员介绍表示 ， 安森美半导体的SiC产品方案具备领先的可靠性、高性价比、满足汽车规范这三个重要特性：
1、领先的可靠性：在H3TRB测试（高温度/湿度/高偏置电压）里 ， 安森美半导体的SiC二极管可以通过1000小时的可靠性测试 。实际测试中 ， 还会延长到2000小时 ， 大幅领先于市场的可靠性水平 ， 对比竞争对手有着明显的优势 。
王利民强调 ， 事实上 ， 安森美半导体曾经是JEDEC可靠性委员会的成员 ， 宽禁带可靠性标准委员会现已并入JEDEC标准委员会 ， 安森美半导体正是可靠性标准委员会的专家之一 。
2、高性价比：通过对比SiC MOSFET、Si MOSFET、Si IGBT ， 不难发现在同样达到1200V击穿电压情况下 ， 硅器件的面积甚至相差100倍 ， 硅基IGBT开关损耗相差10倍 。实际上 ， 在替换过程中 ， 硅器件性能还要差很多 。
对于SiC ， 业界很多人都对会被其高昂的单器件价格“劝退” 。然而事实上 ， 业界越来越讲求整体方案性能 ， 通过计算不难发现 ， 同样的电源如果替换成SiC方案 ， 其体积、功率密度和整体的BOM都会得到优化 。
许多系统工程师也逐渐认识到减少尺寸和冷却要求的重要性 ， 在同样的能源和硬件成本下 ， 他们希望拥有更多的器件以及更广泛的应用设备 ， 例如更高的电压和电流额定值以及更多的封装选项 。
之前 ， 21ic家也多次强调 ， “系统级”成本效益这一概念 ， 且不说在整体上的成本优化 ， SiC的低发热的寿命延长事实上也是降低成本的一环 。
3、车规级：众所周知 ， 汽车对于电源是一大考验 ， 不仅要求非常高的稳定性 ， 对温度和参数上也要求严格 。安森美半导体的MOSFET涵盖了市面上所有主流的SiC MOSFET ， 包括20mΩ、40mΩ、80mΩ、160mΩ ， TO247封装 ， TO247的4条腿以及D2PARK的7条腿封装 ， 并且所有的产品都提供工业规范和汽车规范 。值得一提的是 ， 900V的SiC MOSFET拥有20mΩ、60mΩ这种市面的主流规格 。
事实上 ， 需要冲击电流也是SiC二极管的一个痛点 ， 这是因为 ， 应用中无论是Boost还是PFC都需要扛住浪涌电流 。针对这一点 ， 安森美的SiC则拥有一处贴心的设计 ， 以1200V 15A的碳化硅二极管为例 ， 在毫秒级安森美半导体的的碳化硅二极管有10倍的过滤 ， 在微秒级有50倍的过滤 。
另外 ， 行业内很多SiC二极管并不提供雪崩的量 ， 以安森美的1200V 15A SiC二极管为例 ， 雪崩电流接近200A（3500A/c㎡） 。
SiC的未来
远观功率半导体的发展历史 ， 从第一阶段的整流管、晶闸管 ， 第二阶段的GTO和BJT ， 第三阶段的IGBT ， 第四阶段的功率集成电路PIC和智能功率集成电路SPIC 。分立器件逐渐从单一器件转向集成化 。但在不断迭代过程中 ， 市场并没有吞并单一器件的市场 ， 而是两者并存 。
【安森美半导体在毫秒级的的碳化硅二极管有10倍的过滤？】 SiC亦是如此 ， 从特性来说 ， 模块在功率密度、额定功率和热性能实现了应用的最大差异化 ， 这是SiC发展的未来 。
而从王利民的观点来看 ， SiC整个市场则一直是分立器件和模块两者共存的市场 。他表示 ， 电动汽车领域SiC MOSFET或二极管市场容量确实是以模块为主 ， 之所以叫模块是因为产品是SiC分立器件和成品封装到模块之中 ， 同时也是一个单管的分立器件的成品 。
他强调 ， 未来很多客户也在看向模块 ， 将SiC的晶圆集中到模块中 。“我们认为 ， 模块绝对是SiC器件的一个重要方向 。”但需要注意的是 ， 模块设计主要集中在比较大的功率上 ， 比如几十千瓦或几百千瓦级别的车载逆变器 。
实际上 ， 碳化硅器件还有很多的应用领域 ， 除了电动汽车以外 ， 还有电动汽车上OBC和DC-DC 。“通过市场得知 ， 目前几乎所有的设计都以单管为主 ， 因此在汽车领域 ， 我们可以认为一大半的趋势是模块 ， 一小半是单管 。”
而非汽车领域 ， 诸如太阳能逆变器、5G及通信电源、电动汽车充电桩 ， 按照市场上来看还没有客户采用模块化的方案 ， 基本都是单管方案 。按照数量 ， 市场是以单管为主 ， 按照金额 ， 或许更多市场将会是模块方向 。“当然 ， 安森美半导体既提供分立器件也提供模块化产品 ， 对于我们来说 ， SiC的器件一直都是我们的重点关注” ， 王利民如是说 。
晶圆方面 ， 王利民告诉采访人员 ， 目前市面上4英寸和6英寸的SiC晶圆几乎占据市场100% ， 这是因为8英寸SiC晶圆仍然是太过于超前的技术概念 ， 几乎所有厂商都无法处理超薄的超大SiC晶圆进行批量生产 。当然 ， 在4英寸和6英寸产能上 ， 此前安森美半导体宽禁带产品线经理Brandon Becker告诉采访人员 ， 安森美半导体每年的产能都在翻番 ， 以领先于客户的进度计划量 。
谈及SiC的发展时 ， 王利民表示 ， 汽车的发展会带动未来的模块增长 ， 而其中最大的增长还是会在主驱模块的市场上 。值得一提的是 ， 安森美半导体是提供全生态的 ， 包括提供器件、解决方案、仿真模型以及软件设计等整个一系列的碳化硅生态 。而据王利民的介绍 ， 安森美半导体还会持续地、大幅地在碳化硅领域进行投入和生态的建立 。
责任编辑:pj
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