纳微半导体GeneSiC起源与SiC的未来

本文转载自Bodo's功率系统2023年10月刊，作者为纳微半导体碳化硅产品线营销高级总监Llew Vaughan-Edmunds

纳微半导体于 2022 年收购了 GeneSiC 半导体， 成为业内唯一一家完全专注于基于 SiC 和 GaN 的下一代功率半导体公司。现任纳微半导体碳化硅事业线执行副总裁 Ranbir Singh 博士于 2004 年创立了GeneSiC，他在 SiC 功率技术方面有着丰富的经验，他在北卡罗来纳大学（NCSU）研究出第一个 SiC 功率器件。为了纪念这项开创性的工作，Singh 博士于 2022 年被选入了 NCSU 电气与计算机工程（ECE）校友名人堂。

GeneSiC 的 MOSFET 和肖特基 MPS二极管具有业界最宽的额定电压范围（从650V到 6.5kV），并一直处于 SiC 技术的最前沿。GeneSiC 参与了 60 多个政府机构项目，扩展了 SiC 性能、鲁棒性和可靠性的边界，其中包括为能源部（DoE：Departmentof Energy）开发了用于储能的 6.5 kV SiC 晶闸管和并网逆变器；用于 NASA 金星探测任务的 500 °C 单片集成 SiC 超级结晶体管 - JBS 二极管（MIDSJT）。

SiC市场

SiC 市场在过去几年中迅速扩大，这要归功于工程师对该技术的接受程度不断提高，以及对如何最大限度地利用 WBG 功率器件性能优势的理解不断加深。Yole 预测到 2027 年 SiC 器件市场将从 2021 年的 10 亿美元增长到 60 亿美元以上，其中很大一部分增长将来自汽车行业的解决方案以及光伏/储能系统和工业应用。

2022年美国的电动汽车（EV：Electric Vehicle）销量超过了乘用车市场总量的5%，正式加入了其他18个达到这一门槛国家的阵营中。然而，对于想要过渡到 EV 的消费者来说，仍然有两个主要问题：里程焦虑和充电时间。汽油车和柴油车加满油的时间不到5分钟，而第 1 代 EV 充电至少需要25分钟才能充满80%的电量。

为了解决这个问题，EV 制造商正在将 400V 电压平台过渡到 800V 电压平台，并配备路边增压器，峰值充电功率可达 350kW。目前 Genesis GV70 等 EV 使用 3电平 800V/350kW 直流充电器，可以在18分钟内将电量从10%增加到80%。除了更高的功率传输外，电压的提升降低了 I2R 传输功率损耗与发热，同时也减少了电缆的重量和成本。为了实现更高的电压，电缆和电机绕组都需要加强绝缘，并且逆变器系统必须设计得与之匹配。由于在更高电压下的效率和性能改进，1200V SiC MOSFET 非常适用于这一要求。

EV 给住宅供电

一般情况下，EV 的电池平均容量为 40 kWhr，其电池容量是普通住宅电池储能系统（BESS）的 4 倍，这意味着它可以很轻松地给一个普通住宅提供一整天所需的电量。提供这种选择的车辆到住宅（V2H：Vehicle-to-Home）方法将成为行业的颠覆性驱动力，并改变我们未来使用能源的方式。从 EV 获取电力将节省电力成本并减少电网的紧张需求，而在需求和成本较低时为 EV 充电可以降低家庭账单并获得更好的电网稳定性。更重要的是，EV 还可以在需求高的时候向电网提供能量（V2G：Vehicle-to-Grid）。这有可能改变公用电网现状，使其在宏观尺度上更智能、更动态地传输和储存电力。

考虑到这一点，EV 制造商们现在开始推出双向车载充电器（OBC：On-board Charger），为 V2H、V2G 和车辆 - 负载（V2L：Vehicle-to-Load）提供双向供电通道。当前日产Leaf、福特F-150 Lightning、现代 Ioniq 5、起亚 EV6 和三菱欧蓝德 PHEV 都具备了这一功能。

这种下一代集成和整体电源解决方案越来越依赖于 SiC 功率器件，GeneSiC 产品系列中的 SiC MOSFET 可以提供这些应用所需的高温、高速性能，同时其 SiC MPS 二极管具有低正向压降和快速开关特性，能够以低泄漏承受过大的浪涌电流。

快速充电站

GeneSiC 在满足汽车行业需求的经验还包括开发快速充电站解决方案，这对 EV 的快速普及至关重要。以 SK Signet 最近设计的额定 350kW 快速充电桩为例，它可以将 277VAC 的市电变换为200~950VDC 精准控制的电压，适用于 400V 和 800V 电压平台的 EV。每个快速充电桩在输入功率因数校正（PFC：PowerFactor Correction） 和 输 出 整 流 级 中 使 用 168 x 1700V 额定GeneSiC 二极管，以提供高效、稳定的运行。由于阈值电压（VTH：Threshold Voltage）极低的特性，高性能 GeneSiC 器件的工作结温比竞争产品低 12°C，从而最大限度地节省能源并支持更长的使用寿命。

快速充电也是工业领域的一个关键需求，同样 GeneSiC 正在布局相关技术以解决该特定应用领域的挑战。例如 ExideTechnologies 采用了全新的、领先的 GeneSiC 功率半导体，以确保其用于工业材料处理设备的下一代高频快速充电器的可靠性、安全性、易用性和最佳充电性能。

Exide 2100 系列快速充电器可将 220V 交流电源变换为 24~80V 的直流电压， 适用于自动导引车（AGVs：Automated Guided Vehicles）、叉车 和托盘车等载人及物料搬运设备。每 个 7kW 模 块 均 使 用 了 GeneSiC 750V MOSFET 和具有频率优化架构的 MPS 肖特基二极管。同一平台的整体功率可以提升到 10kW，且 4 个模块并联后可提供 40kW 可靠的快速充电电源。

光伏应用

SiC 的另一个重要增长动力是光伏变换、风能、热泵和储能等领域的能源管理。

近年来，由于天气条件和气候变化，停电次数不断地在增加。2021 年全球共发生 3.5 亿次停电，在美国报告过的重大停电事件中的约 83% 可归因于天气因素。由于电网的稳定性受到质疑，客户正在致力于在他们的家庭和企业中安装太阳能和 BESS 系统。事实上，在美国与太阳能电池板一起销售的电池存储功能的附加率仅在 18 个月内就从 9.5% 上升到了 17.1%。拥有能源独立和能够离网生活不仅提供了安全保障，还允许客户优化和管理能源存储和使用，以降低电费。在公用事业成本不断增加的市场中，这是一个日益重要的问题。

GeneSiC 已经在光伏市场应用多年，其可以在各种逆变器中找到，包括将一系列太阳能电池板的直流电变换成 4.6kW 的交流电源的 KATEK 的 Steca coolcept fleX 系列产品，该产品用于家庭使用并可将电力反馈电网或存储在当地供以后使用。

每个逆变器使用 16个 GeneSiC 1200V/75mΩ SiC MOSFET 构成两电平变换器，具有双向升压变换器和用于交流电压输出的 H4 拓扑电路。除了提供该应用所需的性能和可靠性外，SiC 器件开关频率的提升能够有效减小无源元件的尺寸和重量，与传统的 Si 基逆变器相比，有效优化了 KATEK 功率单元的尺寸和重量。

储能应用

美国家庭平均每天使用 29 kWhr 电量，满足这一需求通常需要 20~25 块太阳能电池板。假设屋顶每天接受 4 小时的阳光照射，每个面板提供 350W 的功率，那么就需要 22 块面板。问题在于，只有约 30% 的用电量发生在太阳能生产时间内。正午的日光最强，也能提供最多的电力，但此时大多数房主都在工作，无法使用这种免费能源。

将太阳能储存起来以备以后使用，意味着当房主晚上回到家时，也就是电网电费达到峰值的时候，他们可以切换到电池系统，从而减少了公用事业费用，优化了能源的分配方式。

有多种方案可以将能量存储到 BESS 中，其中包括太阳能、电网连接以及前面提到的来自 EV 的电能。

BESS 主要由电池、电池管理系统（BMS：Battery Management System）、 能量管理系统（EMS：Energy Management System） 和能量变换系统（PCS：Power Conversion System）组成，其典型系统功率在 10~20kW 之间，这意味着为家庭供电的时间在 8 到 16 小时之间。SiC MOSFET和 GaN 功率 IC 等 WBG 器件用于这些系统的逆变器和降压 / 升压级，以实现 AC-DC（从电网到电池），DC-DC（从太阳能到电池）和 DC-AC（从电池到电网或电池到住宅）等能量变换。

SiC 技术更新 - MOSFET

提供更高的性能和更高效的能源变换和控制方案，同时通过世界电气化和减少 CO2 排放来支持环境可持续性，是推动大众市场应用 SiC 解决方案持续发展的必要条件。下面对 GeneSiC 沟槽辅助平面栅 MOSFET 技术为例进行说明。

虽然 SiC MOSFET 由于其宽禁带特性和高电场强度而与 Si 基器件相比具有优越的导电性和开关性能，但使用平面栅或沟槽栅技术的传统设计不得不在可制造性、性能和 / 或可靠性之间做出妥协。然而，获得专利的 GeneSiC 沟槽辅助平面栅设计是一种不妥协的新一代解决方案，可支持高产量制造、快速冷却运行以及延长寿命的可靠性。结合业界在最低的 RDS(ON) 温度系数和在高速开关下的低损耗，这些器件实现了前所未有的、行业领先的性能、鲁棒性和质量水平。

图 2. GeneSiC 沟槽辅助平面栅技术

通过高产量制造实现领先性能

RDS(ON) 和温度的问题尤为重要。在实际应用中，系统的环境温度可高达 80°C，器件功率循环将进一步提高结温。GeneSiC MOSFET 在设计时考虑到这一点，并支持业界最低的 RDS(ON) 温度系数。在数据表中，RDS(ON) 通常在环温 25°C 下标称额定值，但根据温度系数，RDS(ON) 会在高温下显著增加。在测试中，将D2PAK 中的 GeneSiC 1200V/40mΩ SiC MOSFET 与同类领先的 SiC MOSFET 器件在相同的栅极驱动条件下进行了比较，以获得真实的数据比较。结果如图 3 所示，其中 GeneSiC MOSFET 的运行温度相对降低了 25°C，从而显著降低损耗和提高系统效率。从可靠性的角度来看，运行温度降低 25°C 意味着器件寿命延长 3 倍。

 

图 3. 运行温度对比

电阻与面积关系以及电阻与栅极电荷关系同样是评估 SiC MOSFET 的重要品质因数。

最新的2022年 Yole SystemPlus SiC 晶体管报告中比较了12种 RDS(ON) 面积和 RDS(ON) 的 SiC MOSFET 技术，结果表明 GeneSiC 的新型 MOSFET 技术优于其它竞争对手，其创新的沟槽栅结构同时保持了平面栅的耐用性、短路能力和更简单的制造工艺。

图 4. GeneSiC 开创性的 MOSFET 技术

引领行业且通过了第三方评估证明

2019 年，GeneSiC 与桑迪亚国家实验室和美国能源部合作，开发了一种具有混合式 PIN - 肖特基二极管（MPS）的业界先进的单片集成 SiC 双重离子注入 MOSFET（DMOSFET：Doubleimplanted MOSFET）器件结构，该产品后来在百大研发奖中获得绿色科技特别认可。在 MOSFET 中集成 JBS 二极管可提供更高效的双向性能、温度无关开关特性、低开关 / 传导损耗、降低散热要求和卓越的长期可靠性。典型的应用是牵引、脉冲电源和智能电网等基础设施中的中压能量变换系统。

图 5. 单片集成 MPS 二极管的 GeneSiC MOSFET 

可提高第3象限运行效率并显著改善可靠性

MOSFET 和二极管的整体集成可在续流二极管运行期间实现低导通损耗，而无需外部连接肖特基二极管。此外，MOSFET 结构的内置因 P阱/N 漂移区形成的体二极管被旁路，这体二极管工作会导致 MOSFET N 漂移层内存在基面位错故障（BPD：Basal Plane Dislocation）。

图 6. 与分立 SiC MOSFET 相比，单片集成 MPS 二极管的

3.3kV MOSFET 在第3象限运行时导通压降显著降低

通过中压（MV：Medium Voltage）电网到电池储能系统的实现，可以看到这项技术的优势，其中中压电网通过双有源电桥（DAB：Dual Active Bridge）和有源前端变换器（AFEC：Active Front End Converter）等隔离拓扑连接到 BESS。与两电平拓扑相比，三电平中性点箝位（NPC：Neutral-Point Clamped）逆变器降低了滤波器要求，改善了 SiC MOSFET 两端的电压应力。

3.3kV SiC MOSFET 与二极管器件的串联连接是可能的，具体取决于电网电压，同时低压侧由 1200 V SiC 器件支持，如图7所示。中频变压器的开关频率范围为 10~20kHz。根据功率要求，可以使用单相或三相拓扑。使用 3.3kV SiC MOSFET 与二极管单片集成方案替代几个 1200~1700V MOSFET 或 IGBT 串联的方案具有显著的优点，包括更容易设计栅极驱动，更低的寄生电感，更低的传导损耗和更高的系统效率。除了系统尺寸和重量外，还可以大大降低冷却要求。

图 7. 将 3.3kV SiC MOSFET 与二极管集成

可减少串联器件数量，提高系统效率和可靠性

且同时降低重量、尺寸和冷却要求

SiC 技术更新 - 二极管和模块

在 PCIM 2023 上，纳微半导体宣布推出采用低内置电压偏置技术的第 5 代混合式 PIN - 肖特基二极管（MPS ：Merged-PIN Schottky），提供卓越的 FOM 和最高的鲁棒性，可在所有负载情况下为 SMPS PFC 应用提供行业领先的效率。MPS 二极管的新颖设计结合了 PIN 和肖特基二极管结构的最佳特性，具有最低的正向压降（VF）、高浪涌电流能力（IFSM）以及最小的温度无关开关损耗。专有的薄芯片技术进一步降低了 VF，并改善了散热器运行的效率。

图 8. GeneSiC 第 5 代 650V 二极管具有新颖的结构，

可实现低内置电压偏置且具有出色的品质因数 （QC.VF）

此外，第 5 代 MPS 二极管具有一流的鲁棒性和耐用性，适用于要求高浪涌电流和雪崩能力的应用，这对故障安全设计至关重要。所有 GeneSiC 器件均经过 100% 雪崩（UIL）生产测试，以确保在过电压条件下具有最高水平的耐用性。

这些器件具有出色的品质因数，包括低至 1.3V 的 VF 和最小的 QC， 因此非常适合连续电流模式（CCM：Continuous Current Mode） 的 PFC 电路。此外，零反向恢复电荷改善了PFC MOSFET 的导通性能，从而可以获得一个更易散热、更可靠的系统。

图 9. GeneSiC 二极管在 3kW 交错式升压 PFC 轻负载

和满负载下具有最高系统效率

SiCPAK SiC MOSFET 模块

纳微半导体还宣布了推出其模块封装产品系列，从 SiCPAK module 开始。这些行业标准压接模块在设计时将性能、可靠性和耐用性放在首位。G3 系列 1200V 半桥配置 MOSFET 的RDS(ON) 范围为 6 mΩ 以上。SiC MOSFET 采用银烧结技术，可提供卓越的散热性能和可靠性。此外，直接键合铜 （DBC：DirectBonded Copper） 基板由 Si3N4 陶瓷上的活性金属钎焊 （AMB：Active Metal Brazing） 制造，是高功率循环应用的理想选择。优异的弯曲强度、高断裂韧性和优异的导热性使 Si3N4 非常适合用于功率半导体模块基板。

结论

EV、可再生能源和储能等增长市场正在推动更高的系统效率要求，只有 SiC 功率器件才能实现这些要求。纳微半导体的 GeneSiC 产品系列提供领先的性能、高稳健性和高达 6.5 kV 的额定电压，以实现清洁、高效的能源变换，这将加速 Electrify Our World的采用。

审核编辑：黄飞