碳化硅（SiC）是最成熟的WBG寬帶隙半導(dǎo)體材料， 它已經(jīng)廣泛用于制造開關(guān)器件，例如MOSFET和晶閘管。氮化鎵（GaN）具有作為功率器件半導(dǎo)體的潛力，并且在射頻應(yīng)用中是對硅的重大改進(jìn)。

Cree推出了首款商用900V SiC功率MOSFET，而且于近期宣布推出Wolfspeed 650V碳化硅MOSFET產(chǎn)品組合；Microchip和ROHM均已發(fā)布了新的SiC MOSFET和二極管；英飛凌在2017年底推出了氮化鎵器件，今年二月推出了八款650V CoolSiC MOSFET器件；另外，意法半導(dǎo)體和安森美半導(dǎo)體在WBG寬帶隙半導(dǎo)體材料方面也有相關(guān)投資；ADI公司已經(jīng)生產(chǎn)出用于高頻應(yīng)用的GaN器件，并相信這種材料將有助于設(shè)計人員減小尺寸和重量，同時實現(xiàn)更高的效率和擴展帶寬。

可以看出各大廠商在SiC或GaN寬帶隙半導(dǎo)體材料均有所布局和有著自己的發(fā)展策略，而相對于友商，英飛凌的優(yōu)勢是同時擁有硅、氮化鎵、碳化硅三種主要的功率技術(shù)，這樣可以完全做到以客戶需求為導(dǎo)向，從而給予客戶支持。

英飛凌為什么開發(fā)650V SiC MOSFET？

根據(jù)IHS在2019年的預(yù)估（如下圖），650V SiC MOSFET今年會有近5000萬美元的市場份額。到2028年，市場份額將會達(dá)到1億6000萬美元。整個年復(fù)合成長率達(dá)到16%。650V SiC MOSFET主要應(yīng)用是電源供應(yīng)器、不間斷電源（UPS）、電動汽車充電、馬達(dá)驅(qū)動還有光伏跟儲能的部分，其中電源部分占據(jù)最大份額。

（來源：IHS）

650V SiC MOSFET的年復(fù)合成長率達(dá)到16%，這個數(shù)字是非?？捎^的。傳統(tǒng)的硅發(fā)展至今，市場規(guī)模很大，但事實上它的市場復(fù)合成長率可能是個位數(shù)。而英飛凌在碳化硅的領(lǐng)域事實上已經(jīng)有超過10年的經(jīng)驗，不同部門均在研發(fā)SiC產(chǎn)品，其中SiC二極管已經(jīng)推出十幾年，產(chǎn)品已經(jīng)迭代至第六代。

作為新材料的SiC（和GaN），與傳統(tǒng)的Si材料相比，它有哪些特性？（如下圖）

首先是帶隙（band gap）的部分，新材料SiC的禁帶寬度是硅材料的大概三倍。單位面積的阻隔電壓的能力大概是硅材料的7倍，電子遷移率相差不太多，但熱導(dǎo)率也是超過硅材料的3倍。其電子漂移速度也大概實硅的2倍左右。那這部分是物理的特性，對于使用者和設(shè)計者而言，好處是，它可以運行在更高的電壓，這也是碳化硅的特性之一。另外，它可以達(dá)到更高的效率。因為它各方面的速率比較高，可以讓功率器件滿足輕薄短小的要求，和更高的開關(guān)頻率使體積降低。另外，SiC的散熱性能也比硅好。

對于半導(dǎo)體材料的關(guān)鍵特性，電子設(shè)計工程師幾乎每天都抓破頭在想這些問題。

氮化鎵和碳化硅材料更大的禁帶寬度，更高的臨界場強使得基于這兩種材料制作的功率半導(dǎo)體具有高耐壓，低導(dǎo)通電阻，寄生參數(shù)小等優(yōu)異特性。當(dāng)應(yīng)用于開關(guān)電源領(lǐng)域中，具有損耗小，工作頻率高，可靠性高等優(yōu)點，可以大大提升開關(guān)電源的效率，功率密度和可靠性等性能。

英飛凌在今年2月底剛推出的8個不同的SiC產(chǎn)品——650V CoolSiC MOSFET器件，其額定值在27 mΩ-107 mΩ之間，既可采用典型的TO-247 3引腳封裝，也支持開關(guān)損耗更低的TO-247 4引腳封裝。與過去發(fā)布的所有CoolSiC MOSFET產(chǎn)品相比，全新650V系列基于英飛凌先進(jìn)的溝槽半導(dǎo)體技術(shù)。通過最大限度地發(fā)揮碳化硅強大的物理特性，確保了器件具有出色的可靠性、出類拔萃的開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗。此外，它們還具備最高的跨導(dǎo)水平（增益）、4V的閾值電壓（Vth）和短路穩(wěn)健性。總而言之，溝槽技術(shù)可以在毫不折衷的情況下，在應(yīng)用中實現(xiàn)最低的損耗，并在運行中實現(xiàn)最佳可靠性。

碳化硅的驅(qū)動方式跟傳統(tǒng)硅的驅(qū)動方式是不一樣的，為了讓使用者能夠獲得更好的元件，優(yōu)化設(shè)計，英飛凌有專門的驅(qū)動IC，搭配其碳化硅MOSFET，可以達(dá)到更好的效果、更高的穩(wěn)定度。例如，為了簡化采用650 V CoolSiC MOSFET的應(yīng)用設(shè)計，確保器件高效運行，英飛凌提供了專用的單通道和雙通道電氣隔離EiceDRIVER柵極驅(qū)動器IC。這個解決方案（整合了CoolSiC開關(guān)和專用的柵極驅(qū)動器IC）有助于降低系統(tǒng)成本和總擁有成本，以及提高能效。

Si、SiC和GaN定位比較

至于600V/650V CoolSiC、CoolMOS與CoolGaN的應(yīng)用定位，英飛凌科技電源與傳感系統(tǒng)事業(yè)部大中華區(qū)開關(guān)電源應(yīng)用高級市場經(jīng)理陳清源表示，硅在電壓范圍為25V-1.7 kV仍是主流技術(shù)，適用于從低到高功率的應(yīng)用；碳化硅適用的電壓范圍是650V-3.3 kV，適用于開關(guān)頻率從中到高的大功率應(yīng)用；而氮化鎵適用的電壓范圍是80V-650V，適用于開關(guān)頻率最高的中等功率應(yīng)用。在600V和650V電壓等級，CoolMOS、CoolSiC和CoolGaN可以共存，以滿足以下各種應(yīng)用的需求：電動車充電、電機驅(qū)動加OBC（車載充電器）、電池化成、數(shù)據(jù)中心和電信開關(guān)電源、工業(yè)開關(guān)電源、太陽能光伏逆變器、儲能、UPS等應(yīng)用。

陳清源表示，“因為同時擁有硅材料和碳化硅（SiC）以及氮化鎵（GaN）兩種寬帶隙（WBG）材料的開發(fā)、制造技術(shù)，所以英飛凌有更全面的應(yīng)用經(jīng)驗和更全面的客戶需求了解。目前在以上提及的領(lǐng)域，我們根據(jù)不同的客戶各自的應(yīng)用場景有著相應(yīng)的技術(shù)儲備。硅材料由于技術(shù)成熟度最高，以及性價比方面的優(yōu)勢，所以未來依然會是各個功率轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的主要器件。而氮化鎵（GaN）器件由于其在快速開關(guān)性能方面的優(yōu)勢，會在追求高效和高功率密度的場合，例如數(shù)據(jù)中心、服務(wù)器等，有較快的增長。而碳化硅（SiC）器件在三種材料中溫度穩(wěn)定性和可靠性都被市場驗證，所以在對可靠性要求更高的領(lǐng)域，例如汽車和太陽能逆變器等，看到較快的增長?！?/p>

目前Si、SiC和GaN這三種材料的功率器件會共存，不存在誰會取代誰。

Si、SiC及GaN，該如何選擇？

既然Si、SiC及GaN三種材料的產(chǎn)品將共存，那么IC廠商及設(shè)計師們該如何選擇？

從效率、功率密度兼具易用性。陳清源在視頻會議中針對這三個材料作了比較：傳統(tǒng)的硅，產(chǎn)品范圍事實上是最多的，它開發(fā)得最久，而且每一個產(chǎn)品系列都比較完善，它的性價比是最高。如果需要找性價比高的，事實上硅絕對是首選。但是如果說你要找到效率最高、功率密度最大，基于氮化鎵的器件切換速度最快，而且它的價格可能沒有硅有優(yōu)勢，但是它的效率跟功率密度事實上是絕對是無可取代的。但是如果說要考慮“易使用性”以及堅固、耐用度，因為碳化硅它可以耐高溫，也就是說它的溫度系數(shù)變化比較小，所以說在堅固跟易用性上面，碳化硅是一個很好的選擇。

由于寬禁帶功率半導(dǎo)體有著許多硅材料半導(dǎo)體無法比擬的性能優(yōu)勢，因此工業(yè)界越來越多地趨向使用它們。相比傳統(tǒng)的硅材料功率半導(dǎo)體，對于氮化鎵晶體管和碳化硅MOSFET這兩種寬禁帶功率半導(dǎo)體，英飛凌也給出了具體的專業(yè)的應(yīng)用建議：

（1）所應(yīng)用系統(tǒng)由于某些原因必須工作于超過200KHz以上的頻率，首先氮化鎵晶體管，次選碳化硅MOSFET；若工作頻率低于200KHz，兩者皆可使用；

（2）所應(yīng)用系統(tǒng)要求輕載至半載效率極高，首先氮化鎵晶體管，次選碳化硅MOSFET；

（3）所應(yīng)用系統(tǒng)工作最高環(huán)境溫度高，或散熱困難，或滿載要求效率極高，首選碳化硅MOSFET，次選氮化鎵晶體管；

（4）所應(yīng)用系統(tǒng)噪聲干擾較大，特別是門極驅(qū)動干擾較大，首選碳化硅MOSFET，次選氮化鎵晶體管；

（5）所應(yīng)用系統(tǒng)需要功率開關(guān)由較大的短路能力，首選碳化硅MOSFET；

（6）對于其他無特殊要求的應(yīng)用系統(tǒng)，此時根據(jù)散熱方式，功率密度，設(shè)計者對兩者的熟悉程度等因素來確定選擇哪種產(chǎn)品。

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