安森美：打造可提供从衬底到模块的端到端SiC方案供应商

受访人：安森美首席碳化硅专家，中国汽车OEM技术负责人吴桐博士

1.氮化镓和碳化硅同属第三代半导体，在材料特性上有什么相似之处和不同之处？根据其不同的特性，分别适用在哪些应用领域？贵公司目前在SiC和GaN两种材料的半导体器件方面都有哪些主要的产品？

　　氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)具有较高的电子迁移率和较高的能带隙，用它们制成的晶体管具有比硅基晶体管更高的击穿电压和更耐受高温，可以突破硅基器件的应用极限，开关速度更快，导通电阻更低，损耗更小，能效更高。

　　GaN的开关频率比SiC高得多，而SiC的可靠性高于GaN。SiC通常用于更高压、更高功率的应用，如太陽能逆變器、電動車充電器和工業AC-DC等應用。GaN通常用於650 V以下的高开关频率应用，如蜂窩基站功率放大器、軍用雷達、衛星發射器和通用射頻放大等無線設備中。

　　安森美(onsemi)在收购上游SiC供应企业GTAT后，实现了产业链的垂直整合，是世界上为数不多能提供从衬底到模块的端到端SiC方案供应商，包括SiC球生长、衬底、外延、器件制造、同类最佳的集成模块和分立封装方案。安森美宽广的SiC功率器件阵容，包括650 V到1200 V SiC MOSFET、650 V到1700 V SiC二极管、混合SiC模块和全SiC模块。安森美已发布了三代SiC MOSFET，每一代都针对一种特定的应用：M1系列1200 V适用于工业和汽车应用，针对在20 kHz范围内运行的最低导通损耗和稳定可靠性进行了优化；M2系列650 V和900 V涵盖了同样的但较低电压的应用，具有针对这些电压优化的新型单元结构；M3系列1200 V针对快速开关应用。所有器件都已达到最高的可靠性水平，并已完全工业化。

2.功率器件是第三代半导体的重要应用领域之一，您认为，相比于传统功率半导体器件，第三代半导体在功率器件应用方面有哪些技术上的优势，又能带来哪些技术指标方面的突破和新应用的涌现？

　　由于SiC具有更快的开关速度，因此对于某些拓扑结构，可缩减无源元器件如电感器的尺寸以降低系统尺寸和成本。光伏发电和大规模储能变得越来越重要，最终将取代所有的污染性能源。由于可再生能源目前仅占全球总发电量的一小部分，因此SiC将有长远的发展路向。随着电动车采用率的增加，充电桩将大规模部署，另外，SiC最终还将成为电动车主驱逆变器的首选材料，因为它可减少车辆的整体尺寸和重量，且能效更高，可延长电池使用寿命。

3.随着双碳政策的不断推进，第三代半导体在节能增效方面能够带给相关的系统哪些全新的竞争优势，贵公司有哪些与第三代半导体功率器件相关的方案可以助力系统的节能增效？

　　SiC是推动新能源系统发展的重要赋能者，应用领域非常广泛，包括但不限于电动汽车、逆变器、充电器、可再生能源、光伏、云计算、专业音频、专业照明、医疗、电动工具、电器、电机等等，且在中国政府推进十四五规划的背景下，SiC将在可再生能源、新能源汽车及充电桩等新基建设计中发挥重要作用。SiC用于汽车主驱、OBC、DC-DC，可大幅提高能效，增加续航能力；SiC用于充电桩，可满足越来越高的功率和速度要求；SiC用于光伏逆变器将显著提升能效和功率密度。

　　安森美的SiC策略侧重于电动车及充电桩、可再生能源等领域，提供650 V到1200 V SiC MOSFET、650 V到1700 V SiC二极管、混合SiC模块和全SiC模块。相比于其他厂家，安森美的SiC器件雪崩能量更高，损耗更小，因其使用更大尺寸的die，从而降低Rdson。安森美最新发布的全球首款TOLL封装的SiC MOSFET NTBL045N065SC1，比D2PAK封装尺寸小60%，增强性能并降低损耗，适用于要求严苛的应用，包括开关电源(SMPS)、服务器和电信电源、光伏逆变器、不间断电源(UPS)和储能，适用于需要满足最具挑战性的能效标准的设计，包括ErP和80 PLUS Titanium能效标准。安森美针对汽车主驱逆变的VE TracTM Direct SiC和VE-TracTM B2 SiC方案采用稳定可靠的平面SiC技术，结合烧结技术和压铸模封装，为汽车主驱带来领先同类的性能。

图：全球首款TOLL封装的SiC MOSFET

图：VE TracTM Direct SiC(左)和VE TracTM B2 SiC(右)

4.新能源汽车和充电桩，也是第三代半导体的主要应用领域之一，您认为，在这两个方面，第三代半导体主要的技术应用优势有哪些？对系统的效率和性能，又能带来哪些新的提升以及新应用的可能？

　　SiC MOSFET的优点是高压器件的导通电阻相对而言比较低，开关速度比较快。高压小电流的情况下，导通电阻比较低，从而提升能效，特别适用于电动车逆变器、车载充电(OBC)、DC-DC和直流快速充电桩，尤其是在800 V系统中，当功率超过150 KW以上时，SiC的优势特别明显，使得整車效率的提升，可以使得電動車的里程提升或者是減小電池的容量。減小的電池容量可以抵消由於SiC和Si功率元件的價差帶來的成本上升。

5.随着第三代半导体材料的推广应用，碳化硅未来还将可能在哪些领域崭露头角？贵公司有哪些产品和方案？

　　随着技术的成熟和成本问题的解决，电动车及其车载充电器和其他车载电源系统对SiC的需求将越来越大。由储存在储能系统中的太阳能和风能支持的电动车充电基础设施将由电动车的强劲增长所推动。机器学习、云计算和在线服务需求带来的数据中心增长，将推动这些数据中心使用基于SiC的更可靠的UPS。安森美提供高能效、高性能的SiC方案，满足这些不同应用的需求。

6.您认为随着成本的下降，未来碳化硅在中低功率领域能否完全替代二极管、IGBT、MOSFET等硅基功率器件？在功率器件的工艺上第三代半导体带来了哪些改变？

　　目前来看，在不同的细分市场，SiC跟硅基器件是一个很好的互补，也是价钱vs.性能的一个平衡。随着第三代半导体的成熟，以及成本的降低，最终会慢慢取代硅基产品成为主流方案。SiC芯片可以工作在更高的温度(175℃至200℃)，结温超过175℃的SiC方案将能在更高的功率密度下工作，从而比其硅基替代方案的性价比更高，有助于使系统设计人员能够更灵活地选择满足应用需求的最高性价比的方案。