第4代碳化硅技術(shù)：重新定義高功率應(yīng)用的性能和耐久性

簡介

本白皮書重點(diǎn)介紹 Wolfspeed 專為高功率電子應(yīng)用而設(shè)計(jì)的第 4 代碳化硅 (SiC) MOSFET 技術(shù)?；谠?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/碳化硅">碳化硅創(chuàng)新領(lǐng)域的傳承，Wolfspeed 定期推出尖端技術(shù)解決方案，重新定義行業(yè)基準(zhǔn)。在第 4 代發(fā)布之前，第 3 代碳化硅 MOSFET 憑借多項(xiàng)重要設(shè)計(jì)要素的平衡，已在廣泛用例中得到驗(yàn)證，為硬開關(guān)應(yīng)用的全面性能設(shè)定了基準(zhǔn)。

市場上的某些廠商只關(guān)注特定品質(zhì)因數(shù) (FOM)，如導(dǎo)通損耗、室溫下的 R_DS(on) 或 R_DS(on) × Q_g，而 Wolfspeed 則采用了一種更為廣泛且綜合的方法。通過同時(shí)優(yōu)化導(dǎo)通損耗、開關(guān)性能、穩(wěn)定性和可靠性，Wolfspeed 的設(shè)計(jì)理念可確保全方位的性能。第 4 代 MOSFET 延續(xù)了 這一設(shè)計(jì)理念，全面提升了各項(xiàng)指標(biāo)，在保持 Wolfspeed 引以為傲的堅(jiān)固耐用的同時(shí)，簡化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高了易用性。

第 4 代 MOSFET 主要面向高功率汽車、工業(yè)和可再生能源系統(tǒng)，為碳化硅技術(shù)帶來了新的范式。此類器件為產(chǎn)品開發(fā)的長期路線圖提供了靈活的基礎(chǔ)，包括應(yīng)用優(yōu)化的裸芯片、模塊和分立式產(chǎn)品等?；诘?4 代技術(shù)的每項(xiàng)設(shè)計(jì)都關(guān)注三個(gè)性能向量：整體系統(tǒng)效率；卓越的耐久性；較低系統(tǒng)成本。所有這些特性都旨在助力設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)前所未有的性能和價(jià)值。

性能效率提升

導(dǎo)通損耗的重要性

盡可能減少導(dǎo)通損耗，對于電動汽車 (EV) 中的牽引逆變器、工業(yè)電機(jī)驅(qū)動器以及人工智能 (AI) 服務(wù)器電源等關(guān)鍵應(yīng)用至關(guān)重要。這些系統(tǒng)在寬負(fù)載范圍內(nèi)運(yùn)行，通常會在低功率水平下運(yùn)行較長時(shí)間。減少導(dǎo)通損耗可提高整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)的效率，從而延長電動汽車的續(xù)航里程，提高 HVAC 系統(tǒng)的能效評級，節(jié)約服務(wù)器集群的冷卻成本（因?yàn)闇p少了散熱需求）。

此外，較低的導(dǎo)通損耗還可優(yōu)化半導(dǎo)體材料的使用，提高給定應(yīng)用的功率水平或降低其材料成本，同時(shí)實(shí)現(xiàn)效率和成本的雙重效益。

硬開關(guān)應(yīng)用

在硬開關(guān)應(yīng)用（如工業(yè)電機(jī)驅(qū)動器、AI 數(shù)據(jù)中心電源以及并網(wǎng)系統(tǒng)的有源前端 (AFE) 轉(zhuǎn)換器）中，減少開關(guān)損耗至關(guān)重要。

此類應(yīng)用在不同負(fù)載下運(yùn)行。它們有時(shí)會在短時(shí)間內(nèi)以非常高的功率運(yùn)行，但在使用壽命的大部分時(shí)間里都處于較低的功率水平。從效率視角來看，最大限度減少導(dǎo)通損耗有助于提高整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)的效率。例如，在電動汽車中，這意味著同樣的電池可實(shí)現(xiàn)更長的行駛里程或續(xù)航時(shí)間。

減少開關(guān)損耗有兩大優(yōu)勢。首先，客戶可以提高開關(guān)頻率，從而實(shí)現(xiàn)更小、更輕、更具成本效益的磁性元件和電容器。其次，客戶還可通過減少散熱來優(yōu)先提升效率，并通過使用更小的散熱器或更低的冷卻需求來降低系統(tǒng)級成本。以上優(yōu)勢并不相互排斥，客戶可以根據(jù)其特定需求靈活地優(yōu)化設(shè)計(jì)。

在圖 1 所示的 3 級直流快速充電機(jī)中，AFE 將轉(zhuǎn)換器連接到電網(wǎng)。它將電網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流鏈路電壓，用于給電池充電。與體積更大、效率較低的 IGBT 相比，碳化硅分立器件和功率模塊可減少損耗并提高效率，因?yàn)樗鼈兡軌蛟诟叩念l率和溫度下工作，同時(shí)減少了散熱需求。

圖1 3級直流快速充電機(jī)的簡圖

第3代MOSFET與第4代MOSFET性能對比

在所有電力電子應(yīng)用中，無論是硬開關(guān)還是軟開關(guān)，最大限度減少導(dǎo)通損耗都很重要。導(dǎo)通損耗主要取決于功率 MOSFET 的導(dǎo)通電阻(R_DS(on))，而該導(dǎo)通電阻則與應(yīng)用所需的電流水平和由此產(chǎn)生的結(jié)溫有關(guān)。在滿額定負(fù)載電流下，MOSFET 的工作溫度通常接近其最高額定工作溫度（或因設(shè)計(jì)裕度而略低）。MOSFET 的型號選擇和最終的系統(tǒng)半導(dǎo)體 BOM 成本由該高溫 R_DS(on) 決定。Wolfspeed 第 4 代 MOSFET 在高溫下的導(dǎo)通電阻可降低高達(dá) 21%，而在較低溫度下，該電阻降低幅度更大。在電流水平和結(jié)溫較低的輕負(fù)載下，R_DS(on) 隨溫度的降低直接提高了系統(tǒng)效率，并延長了工作壽命。

為了說明第 4 代 MOSFET 在開關(guān)損耗和易用性方面的改進(jìn)，應(yīng)考慮半橋開關(guān)事件的波形。在第 3 代器件所具有的出色性能和可靠性基礎(chǔ)上，Wolfspeed 第 4 代 MOSFET 通過改進(jìn)提高了開關(guān)速度并減少了電壓過沖，這得益于體二極管性能的提升和設(shè)計(jì)的優(yōu)化。第 4 代器件的這些改進(jìn)建立在第 3 代的強(qiáng)大基礎(chǔ)之上，確保了在產(chǎn)品組合過渡期間，即便是在要求嚴(yán)苛的應(yīng)用中，也能保持一貫的卓越表現(xiàn)。

圖 2 和圖 3 顯示了 1200 V 第 4 代器件與第 3 代等效器件在動態(tài)開關(guān)性能方面的對比。調(diào)整柵極電阻值，以便在導(dǎo)通期間提供匹配的 di/dt，在關(guān)斷期間提供匹配的 dv/dt。第 4 代器件能夠?qū)崿F(xiàn)更快的開關(guān)速度，這里僅展示了一種比較器件性能的保守方法。

在導(dǎo)通過程中，另一個(gè) MOSFET 的體二極管會換向關(guān)斷，導(dǎo)致反向恢復(fù)電流通過體二極管流入正在導(dǎo)通的 MOSFET。改進(jìn)的第 4 代體二極管行為在導(dǎo)通電流波形中表現(xiàn)得非常明顯，其電流恢復(fù)速度更快，從而顯著降低了開通損耗。此外，第 4 代器件的軟體二極管性能導(dǎo)致開關(guān)動作時(shí)的振鈴減少，可降低系統(tǒng)噪聲并提高 EMI 性能。兩代器件的關(guān)斷表現(xiàn)相似，可實(shí)現(xiàn)低損耗和低 EMI。

圖2 第3代和第4代MOSFET的導(dǎo)通波形對比

圖3 第3代和第4代MOSFET的關(guān)斷波形對比

改進(jìn)的體二極管性能以及由此提升的開通性能可大幅降低第 4 代器件的開關(guān)損耗。在許多情況下，開關(guān)損耗的降低幅度甚至更大，因?yàn)榈?4 代器件可在更高的 di/dt 水平下工作，同時(shí)在反向恢復(fù)過程中不會超出 V_DS 安全工作區(qū)。

在相同條件下工作時(shí)，第 4 代器件的反向恢復(fù)過程更為平緩，從而降低了 di/dt 并顯著減少了電壓過沖（約 900 V，降幅達(dá) 75%）。

這種改進(jìn)使得器件在 1,200 V 的額定電壓下?lián)碛?300 V 的裕量，從而提高了安全系數(shù)和穩(wěn)健性?？蛻艨赏ㄟ^現(xiàn)有封裝實(shí)現(xiàn)更快的開關(guān)速度，或者通過高級封裝解決方案（如 Wolfspeed 的定制功率模塊）來獲得更高性能。

圖 4 顯示了 Wolfspeed 第 3 代 21 mΩ MOSFET 與第 4 代 25 mΩ 器件之間的損耗。當(dāng)匹配開通 di/dt 和關(guān)斷 dV/dt 時(shí)，在額定電流下可實(shí)現(xiàn) 27% 的 E_SW 降低。某些第 4 代 MOSFET 可通過采用更低的 Rg 值來進(jìn)一步改善開關(guān)損耗。

圖4 第3代和第4代的開關(guān)損耗對比

第 4 代技術(shù)提高了硬開關(guān)應(yīng)用的性能，使得 E_ON 和 E_OFF 的降幅高達(dá) 15%，同時(shí)也減少了軟開關(guān)和硬開關(guān)應(yīng)用中的導(dǎo)通損耗，使工作溫度下的 R_SP 降低高達(dá) 21%（在 175 °C 下的 R_DS(on) 表現(xiàn)優(yōu)異）。

減少EMI設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

從圖 2 的對比中可以看出，第 4 代 MOSFET 的另一個(gè)優(yōu)勢在于減少了反向恢復(fù)后的振蕩和振鈴。與第 3 代相比，第 4 代 MOSFET 的波形更為平滑，最大限度地減少了共模電壓和輻射發(fā)射，簡化了電磁干擾 (EMI) 濾波器設(shè)計(jì)。

降低波形噪聲可簡化需要高速開關(guān)的系統(tǒng)的開發(fā)，同時(shí)應(yīng)對 EMI 挑戰(zhàn)。對于從第 3 代向上升級的客戶，第 4 代提供了一條便捷的升級路徑，在波形行為和系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活性方面都有顯著提升。

專為應(yīng)對嚴(yán)苛的環(huán)境而設(shè)計(jì)

宇宙射線可靠性

高海拔應(yīng)用（如在山區(qū)行駛的電動汽車或飛機(jī)）會面臨由宇宙射線引發(fā)的單粒子燒毀風(fēng)險(xiǎn)。這些事件由中子通量（每單位時(shí)間撞擊半導(dǎo)體的中子數(shù)）引起，可產(chǎn)生漏源電流 (I_DS)，進(jìn)而可能引發(fā)不良后果。

第 4 代 MOSFET 采用增強(qiáng)的抗擾度設(shè)計(jì)，與前幾代相比，宇宙射線失效率 (FIT) 可降低 100 倍。這種可靠性提升減少了對過度電壓降額的需求，使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加高效。此外，它們還能夠承受過載和過應(yīng)力事件。Wolfspeed 芯片產(chǎn)品組合經(jīng)過認(rèn)證，可在 185 °C 下持續(xù)運(yùn)行，并能在 200 °C 下進(jìn)行有限壽命的運(yùn)行。

短路耐受時(shí)間

短路耐受時(shí)間是電機(jī)驅(qū)動器和牽引系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)，可確保在發(fā)生故障時(shí)安全關(guān)閉。第 4 代技術(shù)支持高達(dá) 2.3 微秒的耐受時(shí)間，可與現(xiàn)有的柵極驅(qū)動器技術(shù)兼容，且不會影響 R_DS(on) 性能。第 4 代 MOSFET 兼具穩(wěn)健性和效率，是要求嚴(yán)苛應(yīng)用之理想選擇。

這些特性擴(kuò)展了安全工作區(qū) (SOA)，可確保穩(wěn)健的性能。設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)能減少半導(dǎo)體使用，從而降低成本，同時(shí)不影響安全性。

高頻率軟開關(guān)應(yīng)用

軟開關(guān)應(yīng)用（如用于車載充電機(jī)和工業(yè)電源第二階段的超高頻 DC-DC 轉(zhuǎn)換器）的設(shè)計(jì)與硬開關(guān)前端有所不同。開關(guān)損耗在此類應(yīng)用中被最大限度地減少甚至消除，因此導(dǎo)通損耗成為主要的剩余損耗。通常，前端有一個(gè)硬開關(guān)的有源功率因數(shù)校正 (PFC) 階段，之后是一個(gè)軟開關(guān)的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器階段。

該轉(zhuǎn)換器階段通常采用 LLC、CLLC、移相全橋或雙有源橋等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在此類設(shè)計(jì)中，開關(guān)損耗不太重要，盡管組件仍需承受高 di/dt 和 dv/dt 應(yīng)力，并處理高諧振電路電流。

軟開關(guān)應(yīng)用的主要優(yōu)勢在于減少因 R_SP 改進(jìn)而降低的導(dǎo)通損耗。這種導(dǎo)通損耗的降低適用于整個(gè)負(fù)載曲線，對于有能效要求（如能源之星 Energy Star 標(biāo)準(zhǔn)）的應(yīng)用尤其有益。其中許多電源必須符合要求在不同負(fù)載水平下實(shí)現(xiàn)高效率的法規(guī)，例如，滿足服務(wù)器電源的 80 Plus 鈦金級能效水平。

系統(tǒng)成本和開發(fā)時(shí)間優(yōu)勢

Wolfspeed 的第 4 代碳化硅 MOSFET 在降低系統(tǒng)成本和加快開發(fā)時(shí)間方面具有顯著優(yōu)勢。通過提升導(dǎo)通和開關(guān)頻率，這些器件使工程師能夠設(shè)計(jì)出具有更小、更輕、更便宜組件的系統(tǒng)，如散熱器、EMI 濾波器和磁性元件。

得益于出色的 R_SP 性能，在相同面積內(nèi)可實(shí)現(xiàn)高達(dá) 30% 的功率輸出，從而在不增加額外空間的情況下提升功率密度。

增強(qiáng)的穩(wěn)健性和可靠性，包括降低對宇宙射線等環(huán)境因素的敏感性，使設(shè)計(jì)人員能夠使用更小的安全裕度，從而進(jìn)一步最大程度減少所需的半導(dǎo)體材料。此外，第 4 代 MOSFET 的即插即用式兼容性讓現(xiàn)有用戶能夠輕松升級，減少了重新設(shè)計(jì)的工作量。

如圖 5 所示，第 4 代器件的體二極管軟度因子提高了 3.5 倍：MOSFET 在反向恢復(fù)場景中可有效將 EMI 降至最低，實(shí)現(xiàn)了更平穩(wěn)的運(yùn)行，而無需對 Q_RR 權(quán)衡取舍。即使在高 dv/dt 下，開關(guān)操作也能既安全又簡潔，這得益于高達(dá) 600:1 的電容比，它消除了寄生過沖的風(fēng)險(xiǎn)，并確保了在苛刻條件下的可靠系統(tǒng)性能。所有這些改進(jìn)相結(jié)合，使開發(fā)人員能夠在更短的設(shè)計(jì)時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的系統(tǒng)性能，同時(shí)滿足嚴(yán)格的效率和可靠性要求。

圖5 體二極管反向恢復(fù)瞬態(tài)的技術(shù)對比

優(yōu)化功率封裝以充分發(fā)揮第4代技術(shù)的優(yōu)勢

Wolfspeed 始終關(guān)注客戶需求，致力于通過封裝策略實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)耐久性、效率和功率密度。先進(jìn)的封裝進(jìn)一步提升了第 4 代技術(shù)的優(yōu)勢，增強(qiáng)了熱管理，并確保了器件在功率和溫度循環(huán)等嚴(yán)苛條件下的耐久性。

可顯著提升效率和功率密度的先進(jìn)封裝

碳化硅器件以其高開關(guān)速度和熱性能突破了傳統(tǒng)硅基功率封裝的極限。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)通常受到寄生電感的影響，從而導(dǎo)致電壓過沖、振蕩和柵極氧化層損壞。這些問題不僅會影響效率，還需要高成本的設(shè)計(jì)權(quán)衡。

專為碳化硅量身定制的先進(jìn)封裝技術(shù)可最大限度地減少功率、柵極和共源回路中的寄生電感，從而提高效率，降低開關(guān)損耗，并支持使用額定值更低的碳化硅器件。雙面冷卻和緊湊布局等功能支持高功率應(yīng)用、熱控制和更高的開關(guān)頻率，從而充分發(fā)揮碳化硅在可靠且節(jié)能系統(tǒng)中的潛力。

最大限度地減少功率模塊中的電感可以減少電壓振蕩，實(shí)現(xiàn)簡潔的開關(guān)操作和更高的效率。內(nèi)部母線和夾子附件等創(chuàng)新技術(shù)將電感降低至 5 納亨的水平，進(jìn)一步降低了開關(guān)損耗并提升了系統(tǒng)穩(wěn)定性。

可提高系統(tǒng)可靠性和耐久性的先進(jìn)封裝

創(chuàng)新的互連方法對于提升功率模塊性能至關(guān)重要。傳統(tǒng)的引線鍵合封裝技術(shù)被頂部夾式互連等先進(jìn)技術(shù)所取代，新技術(shù)可降低電阻、改進(jìn)熱管理并增強(qiáng)機(jī)械可靠性。銅夾直接焊接或燒結(jié)到芯片上，可改善功率流和連接強(qiáng)度。

銀燒結(jié)是一種最先進(jìn)的芯片粘接技術(shù)，可在芯片和氮化硅等基板之間形成牢固的連接，確保出色的導(dǎo)熱性和機(jī)械耐久性。這種方法越來越多地用于需要高功率和熱循環(huán)性能的應(yīng)用中。

隨著功率密度的增加，有效的熱管理至關(guān)重要。直接冷卻解決方案，如翅片浸沒在冷卻劑中的 pin-fin 設(shè)計(jì)（見圖 4），可有效幫助芯片散熱。這些方法使碳化硅器件能夠在高溫下保持高性能，尤其是在汽車系統(tǒng)中。

可靠性對汽車功率模塊至關(guān)重要，這些模塊必須滿足 AEC-Q101 和 AQG324 等嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)。先進(jìn)的材料和工藝可解決水分滲透和引線鍵合退化等故障機(jī)制。例如，環(huán)氧樹脂模塑化合物正在取代凝膠基封裝材料，提供優(yōu)異的防潮性和結(jié)構(gòu)完整性。增強(qiáng)型壓接式引腳技術(shù)支持更高的 PCB 連接電流容量，適用于緊湊型和高功率設(shè)計(jì)。

圖6 Wolfspeed的YM和XM模塊平臺采用pin-fin封裝技術(shù)

關(guān)鍵要點(diǎn)和結(jié)論

新推出的第 4 代碳化硅技術(shù)在導(dǎo)通損耗、開關(guān)性能和耐久性取得了平衡，標(biāo)志著電力電子領(lǐng)域向前邁出了重要一步。與其他專注于室溫下的 R_DS(on) 等有限指標(biāo)的廠商不同，Wolfspeed 優(yōu)先考慮在實(shí)際工作條件下實(shí)現(xiàn)最大的電路內(nèi)價(jià)值。新平臺將為系統(tǒng)優(yōu)化功率模塊、分立器件和裸芯片產(chǎn)品的長期發(fā)展奠定基礎(chǔ)，并將惠及電動汽車、工業(yè)電機(jī)驅(qū)動器、AI 服務(wù)器電源、可再生能源系統(tǒng)和航空電子設(shè)備等行業(yè)。

在電動汽車中，較低的導(dǎo)通損耗可延長電池續(xù)航里程，而在工業(yè)電機(jī)驅(qū)動器中，更高的效率可降低能源消耗和冷卻成本。

在電機(jī)驅(qū)動器和電網(wǎng)電源轉(zhuǎn)換器等硬開關(guān)應(yīng)用中，改進(jìn)的開關(guān)特性提升了開關(guān)頻率或效率，從而減小了系統(tǒng)尺寸和成本。較低的開關(guān)損耗也簡化了熱管理，且支持緊湊設(shè)計(jì)。增強(qiáng)的反向恢復(fù)降低了 EMI，簡化了濾波器設(shè)計(jì)和一致性測試，同時(shí)還可應(yīng)對宇宙射線引起的單粒子燒毀等可靠性挑戰(zhàn)。

第 4 代 MOSFET 具有 2 微秒的短路耐受時(shí)間，可確保故障期間的安全運(yùn)行，并與現(xiàn)有柵極驅(qū)動器技術(shù)兼容。在高頻率 DC-DC 轉(zhuǎn)換器等軟開關(guān)應(yīng)用中，減少導(dǎo)通損耗可提高符合 80 Plus 鈦金級標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)（如 AI服務(wù)器電源）的效率?？稍偕茉聪到y(tǒng)受益于更高的效率和靈活的熱管理，可減少維護(hù)工作并增強(qiáng)可靠性。

航空電子設(shè)備和eVTOL飛機(jī)等新興應(yīng)用十分依賴 MOSFET 的緊湊性、效率和強(qiáng)大的可靠性。第 4 代器件專為靈活集成而設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員能夠根據(jù)不同的市場需求優(yōu)化性能或可靠性，同時(shí)確保出色的結(jié)果。

從設(shè)計(jì)之初，第 4 代就定位于先進(jìn)的 200 mm技術(shù)。Wolfspeed 建立了全球首個(gè)也是規(guī)模最大的 200 mm 碳化硅制造工廠。憑借技術(shù)先進(jìn)的晶圓制造工廠，Wolfspeed 站在全行業(yè)從硅基向碳化硅基半導(dǎo)體轉(zhuǎn)型的前沿，有望顯著提升下一代技術(shù)的能效和性能。