內行看門道 —— 如何比較SiC第三代半導體功率器件的性能，兼評市面上主要SiC產品技術先進性

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2022-03-17 07:31:20 12

導讀：氮化鎵GaN、碳化硅Silicon Carbide（簡稱SiC）為第三代半導體具備優(yōu)異的材料物理特性，在提升電力電子器件的性能提供了更大的空間。SiC功率器件作為電源系統(tǒng)最基礎的半導體零部件，因其廣泛的軍民應用場景如，電動汽車，高鐵，太陽能、風能電網(wǎng)并網(wǎng)，UPS不間斷電源，電磁彈射等領域大幅度提升功率能源效率，成為新能源市場的新寵。

開篇前的閑聊

第三代半功率器件的重要性是提升功率，增*率，減小體積不可繞過的領域。*逐漸對半導體領域的重視，以及資本市場也開始紛紛投來關注，特別是在貿易戰(zhàn)忽明忽暗的局勢中，大家更是意識到自主化生產功率器件的重要性。如同游戲中的所需的必要裝備，為了合成神器，功率器件這一份元素是無論如何也繞不開的話題。如今三代半功率器件板塊的國產隊伍也紛紛異軍突起，異常熱鬧，其中派恩杰公司已經(jīng)生產出性能優(yōu)秀的碳化硅功率器件。
下面正式來聊聊SiC的性能優(yōu)異表現(xiàn)在哪些方面。

功率器件的損耗值

功率器器件其性能的重要指標無外乎是其總體損耗total loss，它包含兩部分，一個是 導通損耗 （Conduction Loss）一個是 開關損耗 （Switching Loss）。也就是說損耗越低，效率越高，從而能得到更小的體積，更高的效率和更輕的重量，更適合現(xiàn)代化應用需求。例如特斯拉Model 3之所以能夠將價格降低到25萬左右，其中一個很重要的原因就是因為他們使用了SiC方案，使得電池性能提升，體積重量變小，從而減少其它方面的成本。

為了幫助應用商及資本方了解行業(yè)內功率半導體器件及其主要參數(shù)指標是怎么在業(yè)內被比較和評估的，我們將在下文中橫向對比各個同時簡評一下各家擁有SiC MOSFET器件產品的技術優(yōu)劣。

派恩杰參數(shù)*

在老一代電力電子應用中，由于開關頻率偏低，導通損耗占主要地位，一位本行業(yè)的開山鼻祖，美國科學院院士 Jayant B. Baliga教授 （下文簡稱巴神）早在1989年就提出了一個評價功率器件導通損耗的品質因數(shù)

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（參見[i]），ε其中是半導體材料電介常數(shù)，μ是電子遷移率，E_C是擊穿電場。根據(jù)巴神的公式，如果我們把硅材料的BFM因數(shù)作為1個單位，那么SiC材料的BFM因數(shù)是231個單位。這有什么意義呢？這說明，制作同樣高電壓的多子功率器件（MOSFET，肖特基二極管等）， SiC材料的導通電阻小230倍！這意味著同樣電流下的導通損耗，SiC器件也比硅器件也小230倍！GaN相對硅的歸一化BFM是2097，Ga2O3是6170！用通俗話來總結就是，巴神早在1980年代就預言， 未來的功率半導體一定是寬禁帶半導體的天下！

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圖片i

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Jayant B. Baliga
隨著近20多年電力電子技術的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)開關更高的開關頻率可以減少電路中電容和電感等被動元件的使用，減小系統(tǒng)體積和重量。但是，隨著系統(tǒng)頻率的升高，功率器件的開關損耗日益顯著，所需散熱系統(tǒng)的成本和體積也相應變大，導致系統(tǒng)不能進一步通過提高頻率得到顯著優(yōu)化。另外一名*教授， Alex Q. Huang ，在2004年提出一個綜合評價器件導通損耗和開關損耗的品質因數(shù)

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（參見[ii]），其中R_ds,on是器件的導通電阻，與導通損耗成正比，Q_gd是器件柵漏米勒電容所存儲的電荷，與開關損耗成正比。同時，因為R_ds,on跟器件面積成反比，Q_gd跟器件面積成正比，他們的乘積剛好抵消器件面積（或者說成本）的影響，展示出這個器件在高頻工作下總體損耗水平。也用通俗的話來總結就是，HDFM品質因數(shù)越小，象征著器件的總體 損耗就越小，效率就越高 ！

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Alex Q. Huang
采用這個方法，我們來比較一下市面上各大SiC MOSFET 供應商的產品性能：

廠家	英飛凌	意法	科瑞	羅姆	派恩杰	某國產品牌
產地	歐洲	歐洲	美國	日本	中國	中國
技術平臺	*代溝槽	第二代平面	第三代平面	第三代溝槽	第三代平面	第？代平面
Rds,on (m?)	90	60	75	80	80	80
Qgd (nC)	5	35	20	25	9.3	54
	21.2	45.8	38.7	44.7	27.3	65.7
歸一化HDFM	1	2.16	1.83	2.11	1.29	3.10
*以上數(shù)據(jù)來自互聯(lián)網(wǎng)可公開下載的datasheet。

我們通過這個對比表格先說結論吧。 在平面MOS技術中，作為國產品牌的派恩杰半導體的產品已經(jīng)**，并且非常接近工藝復雜的溝槽MOS技術！ 在理想情況下，同樣的應用場景，如果以英飛凌最新的CoolSiC器件作為對標，且該器件的總體功耗最低為10W，派恩杰的SiC MOSFET功耗為12.9W，科瑞的產品功耗為18.3W, 意法半導體和羅姆的功耗接近為21W，某國產品牌的功耗為31W。

結語

在交通工具電氣化，新大基建等項目的推動下，碳化硅器件將成為各大電源廠的戰(zhàn)略布局重點。特斯拉*與意法半導體合作，大眾汽車擁抱科瑞……能*占SiC功率器件的最新技術和產能的電源廠將得到不可比擬的戰(zhàn)略優(yōu)勢。

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