碳化硅(SiC)是目前发展最成熟的宽禁带半导体材料,世界各国对SiC的研究非常重视,纷纷投入大量的人力物力积极发展,目前国际上已经量产碳化硅(SiC)器件的厂商有ROHM、Infineon和Cree,近日消息,国内比亚迪也已成功研发可用于电动车的SiCMOSFET。
与Si功率器件相比,SiC功率器件的优势在哪里?SiC功率器件的市场空间有多大?前段时间,在2018年ROHM科技展的SiC功率器件研讨会上,ROHM技术专家谢健佳先生表示,未来SiC功率器件在太阳能发电、数据中心服务站和新能源汽车(包括纯电动和混动)等领域有很大的应用空间。
谢健佳先生将SiC和Si材料做了详细对比,首先碳化硅的击穿场强是硅的10倍,所以碳化硅可以做更高电压的产品,或者说做更被损耗的产品;其次碳化硅的电子饱和迁移速度是硅的10倍,可以用来做更高频率的产品;第三碳化硅的热传导率、融点和禁带间隙(eV)是硅的三倍。总结来说,就是碳化硅具有高温、高频和耐压的特性。
从功率半导体的应用分布来看,SiCMOSFET应用在频率和功率比较大的范围,而SiMOSFET频率可以很高,功率却不大,SiIGBT功率很大,频率却不高,也就是说SiCMOSFET可以兼顾频率和功率。
同是第三代半导体材料的氮化镓,与碳化硅相比,氮化镓的不够耐压,谢健佳先生介绍到,市面上有一个产品工作范围在650V以下,在实验室的时候,最高也只能达到1200V,但是碳化硅功率器件在650、1200、1700、3300、4500、6600V的电压下都可以工作,所以如果在650V电压以下范围的话,氮化镓可以应用在比碳化硅功率器件频率更高的场景上。
以5000W的DC/DC电源为例,谢健佳先生介绍到,从SiIGBT方案改成SiCMOSFET方案后,DC/DC电源体积缩小了1/7、重量减轻了1/5、输出功率从3kW到5kW,频率从25kHz变大到160kHz,因为DC/DC电源的频率可以很高,所以碳化硅很有优势。
在研讨会上,谢健佳先生介绍到,罗姆已经开发出采用沟槽结构的第3代SiCMOSFET,与第2代平面结构相比,该器件实现了更低电阻的导通电阻,降低了所有设备的功率损失。针对产品紧缺的问题,谢健佳先生表示,公司正在建新工厂和产线,预计2025的产能将是2017年的16倍。
碳化硅(SiC)器件虽然很多性能优于硅基产品,然而其成本却比硅基产品高,这也致使碳化硅(SiC)器件目前市场渗透率极低,想必在ROHM等厂商对技术和产能的投入下,未来碳化硅(SiC)器件的整体市场使用率将会逐渐扩大,相关研究机构资料也预计,未来技术进步将会推动碳化硅(SiC)成本快速下降,中长期来看碳化硅(SiC)器件将会是功率半导体的市场主流产品。