750V SiC FET首發,比650V SiC MOSFET更高效低損

2020-12-03 電子工程專輯

在電動汽車領域，人們一直在嘗試提高其總線電壓和電池電壓，但目前主流的SiC FET產品電壓值要麼是650V，要麼要上到1200V。能不能有一款將額定電壓值擴展到750V的SiC FET器件，能讓400V或500V的電池/總線電壓應用有更多的裕量，並減少其設計約束呢？dXXEETC-電子工程專輯

美商聯合碳化矽（UnitedSiC）公司近日推出了其第四代SiC FET產品，是目前市場上首批也是唯一的750V SiC FET，其他廠商目前除了一家有700V的產品，其餘均是650V。該系列產品共有四款，包含18 mΩ和60mΩ兩種方案。dXXEETC-電子工程專輯

UnitedSiC執行長Chris Dries在接受《電子工程專輯》專訪時表示，「這四款第四代器件在品質因數（FoM）上實現了新的性能水平，從而使汽車、工業充電、電信整流器、數據中心功率因數校正（PFC）和 DC-DC轉換以及可再生能源和儲能領域的電源應用都能夠從寬禁帶半導體的發展中受益。」dXXEETC-電子工程專輯

RDS(on)依舊沒有敵手

據介紹，儘管提高了額定電壓，但是第四代器件採用的更高電池密度降低了單位面積的導通電阻（RDS(on)），因而能夠以各種封裝提供業界RDS(on)最低的產品。此外，該器件採用燒結式晶粒粘接技術，改進了熱性能，從而實現了大額定電流。dXXEETC-電子工程專輯

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圖1. 第四代750V UnitedSiC FE的單位面積導通電阻與650V額定值的SiC競爭產品的對比，前者在所有溫度下的導電損耗都比其他產品低得多。dXXEETC-電子工程專輯

如同去年在發布第三代產品時Chris強調的，設計易用性仍是UnitedSiC第四代開關的重要特點。所有器件都可以用標準0V到12V或15V柵極驅動電壓安全驅動，保持了良好的閾值噪聲容限並採用真正的5V閾值電壓。與前幾代類似，這些新的SiC FET可以由所有典型的Si IGBT、Si MOSFET和SiC MOSFET驅動電壓驅動，並包括內置ESD柵極保護箝位。dXXEETC-電子工程專輯

除了具有低導通電阻，這些新SiC FET還能在軟開關和硬開關電路中提高能效。在圖騰柱PFC或標準雙電平逆變器等硬開關電路中，低單位面積導通電阻、低輸出電容和低壓Si MOSFET中幾乎為零的存儲電荷這三者共同作用，提供了出色的反向恢復電荷（Qrr）和低Eoss/Qoss。dXXEETC-電子工程專輯

「這些器件無論是在25℃低溫還是125℃高溫下工作，都不僅超越了現有SiC MOSFET競爭產品的性能，還造就了最低的體二極體VF（<1.75V）。」Chris說到，「其出色的反向恢復特性，還降低了死區損耗並提高了效率。」dXXEETC-電子工程專輯

軟硬開關性能遠超650V競品

圖2表明了在以硬開關性能表徵（FoM）RDS(on) x Eoss（mΩ·μJ）作為標準時，750V UnitedSiC FET與650V額定值的SiC競爭產品相比的優勢。UJ4C075018K3S（採用TO247-3L封裝）和UJ4C075018K4S（採用TO247-4L封裝）的導通電阻僅為18mohm，在25oC下，比最接近的競爭產品低50%，在125oC下低近40%，因此其導通損耗和關斷損耗都得到了降低。dXXEETC-電子工程專輯

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圖2. UnitedSiC 750V FET與650V額定值的SiC競爭產品相比的硬開關性能表徵優勢dXXEETC-電子工程專輯

在高頻軟開關諧振變換器拓撲（如LLC或PSFB）中，這些新器件也能提供較高的性能。據介紹，750V UnitedSiC FET性能的突破性在於導通電阻顯著降低的同時，輸出電容Coss(tr)也有所降低。圖3闡明了這些優勢，以及建議的諧振和軟開關性能表徵RDS(on) x Coss(tr)。dXXEETC-電子工程專輯

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圖3. 750V SiC FET與650V額定值的SiC競爭產品相比的軟開關性能表徵優勢dXXEETC-電子工程專輯

該圖還描述了LLC關閉波形示例，其中，Coss(tr)帶來的延遲可能會限制最大可用頻率。「在這種情況下，第四代UnitedSiC FET實現了非常低的Coss(tr)和非常高的額定電壓，從而能夠快速關閉。」Chris說到，「它的軟開關性能表徵優勢在所有可用運行溫度下均為同類最佳。」dXXEETC-電子工程專輯

矽超結才是SiC FET要拿下的

圖4中所示的雷達標圖總結了第四代750V FET的比較優勢。如果考慮關鍵的硬開關和軟開關參數，SiC FET的優勢明顯。極低的單位面積導通電阻，讓標準獨立封裝的性能令現有矽或寬禁帶半導體競爭對手很難超越。Chris表示，「對於任何給定的導通電阻值，我們都能將器件體積做到業界最小，並做到更低的傳導和開關損耗。」dXXEETC-電子工程專輯

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圖 4. UnitedSiC 750V FET比較優勢雷達標圖，關鍵參數已經標準化（註：數值越低越出色）dXXEETC-電子工程專輯

雖然現在業內人們熱衷於在各類碳化矽器件之間進行對比，但實際上，Chris認為真正值得競爭的市場是既有的矽市場。拿矽超結（Si superjunction）MOSFET來說，是只有兩三家公司主導的10億美元市場，「過去六年中我們一直關注這個領域的成本績效範式，剛開始碳化矽性能雖好，但價格是矽的五到十倍。如今已經能夠以碳化矽的性能在成本上與矽超結競爭，在合適的時候將在功率轉換應用上對其實現完全的取代。」dXXEETC-電子工程專輯

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圖 5. UnitedSiC 750V FET對比矽超結，紅框中幾項呈現數量級上的優勢（註：數值越低越出色）dXXEETC-電子工程專輯

供貨與市場目標

在降低襯底和碳化矽製造成本方面，UnitedSiC也在積極地研究碳化矽200mm晶圓技術，雖然業界有公司宣稱已採用，但Chris認為，這項技術還未達到「設備級（Device Grade）」的採用標準，「在100mm和150mm工藝上，我們已經展現了將技術完整移植到兩家不同晶圓代工廠的能力，一旦200mm工藝成熟，我們也能夠及時跟進。」dXXEETC-電子工程專輯

當前750V SiC FET的目標應用市場主要是汽車、IT基礎設施和可再生能源領域。與中國的「新基建」類似，美國也有「美國電氣化（Electrify America）」這樣的國家級基建項目，是由電動汽車充電站網絡、快速直流充電器組成的網絡。UnitedSiC已經參與其中多年，所以對於中國新基建，Chris認為將是公司業務非常重要的增長部分。dXXEETC-電子工程專輯

據Chris介紹，目前在電動汽車充電器的DC-DC轉換器中已有大量出貨，最大客戶是中國的一家世界級電動汽車企業；今年由於疫情帶動遠程辦公，IT基礎設施中的功率因數校正領域也成為快速增長的市場；一些世界級的太陽能逆變器企業也採用了UnitedSiC的產品，除了用在逆變器中，還用在儲能系統中。dXXEETC-電子工程專輯

這四款第4代750V新SiC FET的定價（千片起，美國離岸價）從UJ4C075060K3S的3.57美元到UJ4C075018K4S的7.20美元不等。所有器件均可從授權分銷商處購買，器件的規格如下所示（所有封裝均已通過汽車AEC-Q101認證）：dXXEETC-電子工程專輯

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責編：Luffy LiudXXEETC-電子工程專輯

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