解讀安森美的SiC優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用布局，助力可持續(xù)發(fā)展未來

隨著碳中和碳達(dá)峰的目標(biāo)迫近，實(shí)現(xiàn)低碳可持續(xù)發(fā)展成為了業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。而這也讓近日在上海召開的PCIM Asia2023變得異?；馃?，眾多國(guó)際領(lǐng)先的電源和功率器件廠商都展示了自己全新的產(chǎn)品和技術(shù)。而在安森美(onsemi)的展臺(tái)上，我們也看到了其最新的SiC器件、模塊、光儲(chǔ)充方案、新能源汽車解決方案等等一系列的demo展示。同時(shí)，我們也有幸在現(xiàn)場(chǎng)采訪到了安森美的工業(yè)和高性能電源轉(zhuǎn)換市場(chǎng)應(yīng)用工程高級(jí)經(jīng)理WK Chong先生，他針對(duì)能源、汽車電氣化、SiC、智能電源等熱門話題進(jìn)行了精彩的分享。

安森美的SiC優(yōu)勢(shì)：全產(chǎn)業(yè)鏈、高能效和易用性

據(jù)Yole預(yù)計(jì)，功率SiC市場(chǎng)規(guī)模將于2027年達(dá)到60億美元。憑借著更好的能效、開關(guān)速度和耐壓表現(xiàn)，SiC將會(huì)在電動(dòng)汽車、可再生能源、工業(yè)等高能耗領(lǐng)域發(fā)揮巨大的作用，進(jìn)一步推動(dòng)整個(gè)社會(huì)進(jìn)入可持續(xù)發(fā)展的未來。

而安森美作為電源領(lǐng)域的領(lǐng)軍企業(yè)，對(duì)于SiC技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用方向也進(jìn)行了全面的布局。相比其他友商，安森美的SiC具有幾大優(yōu)勢(shì)：分別是更好的能效表現(xiàn)、創(chuàng)新封裝技術(shù)、易用性和端到端的全產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)體系。

首先在產(chǎn)品的能效方面，安森美的SiC器件保持了持續(xù)領(lǐng)先。據(jù)WK Chong介紹，在此次展會(huì)上展示出的最新一代汽車和工業(yè)1200 V M3S EliteSiC MOSFET系列的產(chǎn)品，具有領(lǐng)先業(yè)界的超低開關(guān)損耗Eon/Eoff 值，可實(shí)現(xiàn)高頻開關(guān)， 低反向恢復(fù)損耗，結(jié)到外殼的熱阻低。此外，堅(jiān)固可靠的技術(shù)符合AEC-Q101標(biāo)準(zhǔn)，可承受175°C 的溫度。特別適用于圖騰柱 PFC、光儲(chǔ)充中Boost升壓硬開關(guān)拓?fù)洹?

同時(shí)安森美還提供了配合SiC MOSFET的圖騰柱拓?fù)涞年P(guān)鍵器件，來進(jìn)一步提高電源效率。據(jù)WK Chong分享，在傳統(tǒng)的PFC電路中，整流橋二極管中的損耗約占總損耗的20%左右。然而，用 “圖騰柱”配置的開關(guān)取代有損耗的二極管，并拉入升壓PFC功能，可減少電橋損耗，顯著提高整體能效。安森美(onsemi)使用圖騰柱無橋控制器NCP1681和LLC控制器NCP4390帶同步整流輸出的3kW電源設(shè)計(jì)，結(jié)合650V EliteSiC MOSFET的低損耗，相較傳統(tǒng)PFC之轉(zhuǎn)換效率可以提升3%~4%，符合未來電源節(jié)省能源，降低成本，提高系統(tǒng)容量之訴求，同時(shí)能在緊湊外形設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)出色的效率。

安森美的SiC系列產(chǎn)品的第二大優(yōu)勢(shì)在于，采用了創(chuàng)新的封裝技術(shù)，從而提供了更好的可靠性和散熱性能。相比IGBT，SiC器件的散熱要求可能更高，因?yàn)橥ǔＴ谕瑯拥墓β氏?，SiC器件要比IGBT小的多，所以更需要把熱量快速傳遞出去。而對(duì)于散熱的設(shè)計(jì)，和封裝技術(shù)的關(guān)系極大。安森美通過DBC材料的升級(jí)，極大改善了SiC器件的散熱效率。

據(jù)WK Chong介紹，封裝是芯片到應(yīng)用的重要一環(huán)，特別在大功率的電力電子應(yīng)用中，盡管新一代SiC材料較Si材料在材料性能上有很大的優(yōu)勢(shì)，但是傳統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)很多時(shí)候基于Si設(shè)計(jì)并不完全適用于全SiC模塊，例如DBC Substrate。傳統(tǒng)的混合SiC模塊多是采用氧化鋁(Al2O3)陶瓷基板材料。安森美在全SiC模塊 F2 封裝上，采用氮化硅(Si3N4)基板取代(Al2O3)陶瓷基板以降低熱阻。Si3N4陶瓷具有更高的熱導(dǎo)率，和氧化鋁基板相比、擁有三倍以上的熱導(dǎo)率，熱膨脹系數(shù)（2.4ppm/K）較小，具有良好的熱匹配性。

第三大優(yōu)勢(shì)，是在易用性方面。我們知道SiC器件雖然近幾年很火，但相比IGBT等仍是比較新的電路設(shè)計(jì)。為了幫助工程師加快產(chǎn)品設(shè)計(jì)，快速實(shí)現(xiàn)器件選型和評(píng)估，安森美提供了全面的仿真工具。

針對(duì)SiC應(yīng)用，安森美的在線Elite Power 仿真工具和 PLECS 模型自助生成工具 (SSPMG) 所具有的技術(shù)都基于半導(dǎo)體物理學(xué)的物理原理?？蓴U(kuò)展 SPICE 建模的引入替代了行為較不準(zhǔn)確的SPICE模型。安森美的物理 SPICE 模型可捕捉復(fù)雜效應(yīng)，SiC MOSFET 和 IGBT反向恢復(fù)、自發(fā)熱以及因制造中的工藝技術(shù)分布而引起的電氣參數(shù)變化。以非常易用和簡(jiǎn)單的在線Elite Power仿真工具，助力客戶在系統(tǒng)級(jí)仿真中準(zhǔn)確預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)性能（損耗、溫度、ZVT/ZVS、效率），簡(jiǎn)化了不同開關(guān)拓?fù)湫阅艿脑u(píng)估。在許多情況下，應(yīng)用設(shè)計(jì)人員可以避免由于估算錯(cuò)誤以及設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)于預(yù)期而導(dǎo)致的大量重復(fù)設(shè)計(jì)。

最后一點(diǎn)值得強(qiáng)調(diào)的，安森美在SiC器件上尤為關(guān)鍵的優(yōu)勢(shì)在于——垂直的端到端供應(yīng)鏈。據(jù)悉，在摻雜良率的控制上、包括在碳化硅切割上，是需要有一定的技術(shù)累積的。有了足夠的技術(shù)積累，不僅能夠提供更可靠的產(chǎn)品，而且在產(chǎn)品的成本上也能夠做到更好。據(jù)WK Chong介紹，安森美從IP、到Substrate、到Wafer、后道封裝等都是自主把控，所以供應(yīng)鏈不會(huì)受到其他的外界干擾和影響，這種垂直供應(yīng)的模式能夠最大限度保證客戶的供貨。

全面布局汽車、工業(yè)和能源類應(yīng)用

在應(yīng)用布局上，SiC能夠在汽車電氣化、工業(yè)和能源等應(yīng)用上發(fā)揮其高能效的優(yōu)勢(shì)。而安森美也在此次PCIM上展示了多款Demo，其中除了SiC器件和模塊外，還有IGBT的新產(chǎn)品以及諸多智慧電源的IC產(chǎn)品。

光儲(chǔ)充解決方案

要實(shí)現(xiàn)低碳可持續(xù)發(fā)展，則必然要提高可再生能源的使用率。而光伏逆變器作為太陽能轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵，安森美在此次展會(huì)上展示了“320kW 組串式光伏逆變器”和“11 kw光儲(chǔ)智能住宅光伏逆變器”。而除了這兩個(gè)demo外，現(xiàn)場(chǎng)還羅列展示更多能為光伏市場(chǎng)提供涵蓋低、中、高功率范圍的功率集成模塊（PIM），可提供高能效、高可靠性的逆變器設(shè)計(jì)。

據(jù)WK Chong分享，目前光伏系統(tǒng)中SiC的滲透率正在加速。某些光伏的客戶今年采用SiC的產(chǎn)品比例大概是20～30%；而明年將會(huì)上升到50%。

電動(dòng)汽車主驅(qū)和充電方案

在用能端，要實(shí)現(xiàn)低碳可持續(xù)發(fā)展，電動(dòng)汽車的應(yīng)用是關(guān)鍵。而在電動(dòng)汽車的應(yīng)用中，主驅(qū)逆變器、輔逆變器、OBC充電方案是汽車電氣化的核心系統(tǒng)。

在PCIM的現(xiàn)場(chǎng)，安森美展出了高集成度的主驅(qū)逆變器模塊VE-Trac、第七代IGBT（FS7 IGBT）、直流快充方案、車載充電機(jī)的方案等。

據(jù)WK Chong介紹，1200V FS7 IGBT是安森美在中國(guó)區(qū)首次展示。新的1200V溝槽型場(chǎng)截止（FS7）IGBT在高開關(guān)頻率能源基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用中用于升壓電路提高母線電壓，及逆變回路以提供交流輸出。FS7器件的低開關(guān)損耗可實(shí)現(xiàn)更高的開關(guān)頻率，從而減少磁性元件的尺寸，提高功率密度并降低系統(tǒng)成本。對(duì)于高功率能源基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用，最新的1200V FS7 IGBT包括高速（S系列）和中速（R系列）版本。所有器件都含一個(gè)優(yōu)化的二極管，實(shí)現(xiàn)低VF，減少開關(guān)損耗，可在高達(dá)175℃的結(jié)溫（TJ）下工作。S系列器件如FGY75T120SWD的開關(guān)性能領(lǐng)先市場(chǎng)現(xiàn)有1200V IGBT。經(jīng)7倍額定電流的測(cè)試，這種高可靠性的IGBT產(chǎn)品展現(xiàn)出出類拔萃的抗閂鎖能力。R系列針對(duì)以導(dǎo)通損耗為主的中速開關(guān)應(yīng)用如電機(jī)控制和固態(tài)繼電器進(jìn)行了優(yōu)化。

工業(yè)智能電源方案

除了可再生能源和汽車外，工業(yè)也是可持續(xù)發(fā)展的重點(diǎn)優(yōu)化方向。傳統(tǒng)工業(yè)的升級(jí)改造，有著巨大的碳排放優(yōu)化空間。

安森美在此次PCIM上展出了工業(yè)級(jí)自動(dòng)化方案、智能電源方案、超高密度（UHD）方案、高密度3kWPFC+LLC方案。

其中超高密度（UHD）方案，采用圖騰柱功率因數(shù)校正（PFC）、LLC和EliteSiC設(shè)計(jì)，適用于嚴(yán)苛、高性能和空間受限的電源應(yīng)用。

結(jié)語

要實(shí)現(xiàn)低碳可持續(xù)發(fā)展，就必然要提高能源產(chǎn)生和轉(zhuǎn)換效率，功率器件是其中的關(guān)鍵。安森美提供了IGBT、SiC MOSFET、SiC模塊、PIM等一系列領(lǐng)先的功率器件和解決方案，并提供了高效率準(zhǔn)確的仿真方案，助力客戶的高效電源設(shè)計(jì)。

而隨著SiC的滲透率在汽車、工業(yè)和可再生能源系統(tǒng)中的提高，SiC在整個(gè)市場(chǎng)仍處于非常緊俏的需求狀態(tài)。WK Chong表示，安森美在SiC方面今年將繼續(xù)加大產(chǎn)能擴(kuò)充，同時(shí)繼續(xù)追求優(yōu)化產(chǎn)品良率。而未來8英寸晶圓廠投產(chǎn)時(shí)，SiC的成本優(yōu)勢(shì)將會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大。