碳化硅 (SiC) 技術(shù)是功率器件市場和更廣泛的半導(dǎo)體行業(yè)中發(fā)展最為迅速的板塊之一。作為硅的卓越替代品，在滿足對大功率應(yīng)用（例如，電動汽車動力總成、電動交通工具、可再生能源系統(tǒng)、電池儲能系統(tǒng)和 AI 數(shù)據(jù)中心）日益增長的需求方面，碳化硅是理想選擇。
碳化硅相比于硅具有眾多關(guān)鍵優(yōu)勢，其中之一在于材料特性優(yōu)越，如更高的擊穿電壓和熱導(dǎo)率，這有助于制造商在越來越小的電力電子系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)更高的功率密度。特別的一點(diǎn)是，碳化硅器件具有更高的功率轉(zhuǎn)換效率和可以耐受更高的工作溫度，因此尤其適合數(shù)據(jù)中心電源、太陽能/可再生能源逆變器、電動汽車牽引逆變器和電源。
Wolfspeed 作為碳化硅材料與器件領(lǐng)域的領(lǐng)先制造商，正式發(fā)布了第 4 代碳化硅 MOSFET 技術(shù)平臺。該平臺通過優(yōu)化開關(guān)特性，針對性解決了高功率設(shè)計(jì)中普遍存在的效率瓶頸與熱管理難題。第 4 代平臺提供 750V、1200V 和 2300V 電壓等級，為 Wolfspeed 的產(chǎn)品類別（包括功率模塊、分立元件及裸芯片）譜寫了長期路線圖。
“作為職業(yè)工程師，我親身體會到，能夠?yàn)橐环N器件或技術(shù)提供全新或更佳的品質(zhì)因數(shù)非常令人振奮。也正因此，這種致力于鉆研解決問題的精神推動著幾乎所有工程師和科學(xué)家不斷奮進(jìn)，” Wolfspeed 功率器件副總裁兼研發(fā)負(fù)責(zé)人 Adam Barkley 博士表示。“但作為 Wolfspeed 的技術(shù)開發(fā)負(fù)責(zé)人，我的工作是確保將研發(fā)投資集中在幫助客戶有意義地解決面臨的實(shí)際應(yīng)用挑戰(zhàn)上。因此，全新第 4 代技術(shù)令我倍感自豪：可以直接改進(jìn)客戶系統(tǒng)的開關(guān)波形和效率曲線。”
他表示，第 4 代平臺是市場上率先為大批量生產(chǎn)而開發(fā)的平臺，采用全自動 200mm 技術(shù)。更重要的是，Wolfspeed 不僅專注于提升其中一個品質(zhì)因數(shù)，第 4 代平臺還解決了工程師日常努力應(yīng)對的三大關(guān)鍵問題：耐久性、整體系統(tǒng)效率和更低的系統(tǒng)成本。
“我們致力于在這三個方面實(shí)現(xiàn)有意義的改進(jìn)，因?yàn)槲覀冎?，每個客戶的設(shè)計(jì)或開發(fā)周期都會受到這些系統(tǒng)要求的限制，即使不是全部，至少也會受到其中一個的限制，” Barkley 博士表示。在公司任職的十多年時間里，Adam Barkley 曾擔(dān)任多個應(yīng)用工程、裸芯片研發(fā)和封裝開發(fā)職位，對日常真正的功率系統(tǒng)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)有著切身的深入理解，并對解決此類挑戰(zhàn)充滿熱情。
全新一代性能
Wolfspeed 的第 4 代碳化硅 MOSFET 平臺旨在全面提高系統(tǒng)效率、延長應(yīng)用壽命，即使在最惡劣的環(huán)境中也不例外，同時有助于降低系統(tǒng)成本、縮短開發(fā)時間。Barkley 博士表示，他們專注于具體的品質(zhì)因數(shù)和器件性能規(guī)格，助力實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)。“我來給大家舉幾個示例，” 他解釋道。“為了提高系統(tǒng)耐久性，我們選擇將重點(diǎn)放在最大限度地延長短路耐受時間上，以便為設(shè)計(jì)工程師提供額外的安全裕度。在某些汽車應(yīng)用中，系統(tǒng)需要被推向極限——即在極短的操作生命周期內(nèi)，持續(xù)運(yùn)行于最大安全工作區(qū)間，并承受過載或過壓工況的嚴(yán)苛考驗(yàn)。對于此類特定應(yīng)用用例，我們的芯片產(chǎn)品經(jīng)過了認(rèn)證，可以在 185°C 下連續(xù)運(yùn)行，并能夠在 200°C 下進(jìn)行有限壽命的運(yùn)行。”
軟恢復(fù)體二極管的 VDS 過沖降低 27%，因此實(shí)現(xiàn)了更快的開關(guān)速度，同時減少了損耗和振鈴。除此之外，還在反向恢復(fù)場景中最大限度減少了 EMI，無需權(quán)衡本體二極管恢復(fù)電荷，從而簡化了 EMC 合規(guī)流程，同時實(shí)現(xiàn)體積更小、成本更低的 EMI 濾波器。
“我必須提一下我們在宇宙射線抗擾度方面實(shí)現(xiàn)的改進(jìn)；與 Wolfspeed 第 3 代器件相比，失效率即 FIT 降低到了 1/100，” Adam Barkley 表示。他補(bǔ)充道，還在常規(guī)開關(guān)行為期間的整體效率方面取得了重大改進(jìn)。
“我們的第 4 代產(chǎn)品改進(jìn)了硬開關(guān)和軟開關(guān)應(yīng)用的導(dǎo)通損耗。硬開關(guān)應(yīng)用的開關(guān)損耗降幅達(dá) 15%，從中獲益良多。該平臺具有出色的 175°C RDSON，有助于降低導(dǎo)通損耗，再加上同時實(shí)現(xiàn)的這些增強(qiáng)功能，進(jìn)一步鞏固了 Wolfspeed 在各種操作條件下的性能承諾。”
Wolfspeed 的第 4 代平臺幾乎能夠?qū)崿F(xiàn)各種關(guān)鍵應(yīng)用。據(jù) Barkley 博士稱，這項(xiàng)技術(shù)將成為 Wolfspeed 長期研發(fā)路線圖的新基石，圍繞應(yīng)用優(yōu)化的功率模塊、分立器件及裸芯片解決方案構(gòu)建技術(shù)生態(tài)。
“這使我們的客戶能夠靈活提出定制化產(chǎn)品需求，優(yōu)先考慮針對其特定應(yīng)用場景優(yōu)化的性能優(yōu)勢，而非基于開發(fā)平臺限制的艱難取舍。無論您是致力于電動汽車、電機(jī)驅(qū)動、能源儲存、面向人工智能的數(shù)據(jù)中心，還是可再生能源應(yīng)用的電源相關(guān)工作，我們認(rèn)為第 4 代平臺都可以為您帶來優(yōu)勢。”
應(yīng)對行業(yè)挑戰(zhàn)
Wolfspeed 的第 4 代技術(shù)旨在解決客戶在耐久性、效率和系統(tǒng)成本方面所面臨的種種挑戰(zhàn)。Wolfspeed 明確指出了耐久性和可靠性之間的區(qū)別，并提供了現(xiàn)實(shí)示例。
“本質(zhì)上，可靠性是指能夠始終如一地通過行業(yè)定義的一系列標(biāo)準(zhǔn)化測試，” Adam Barkley 解釋道。“而耐久性則大不相同。我想到了兩個現(xiàn)實(shí)的示例：第一個例子，建筑和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的原始設(shè)備制造商（OEM）正在向電氣化轉(zhuǎn)型，但他們需要應(yīng)對一些具有挑戰(zhàn)性的運(yùn)行環(huán)境。Wolfspeed 與一家該領(lǐng)域的 OEM 廠商展開合作。他們深知其電動機(jī)械設(shè)備將在北半球高緯度地區(qū)的收獲季投入使用且必須耐受極端低溫。就其實(shí)質(zhì)而言，當(dāng)春季和夏季來臨，工人們重返田間時，他們需要確保這些碳化硅基逆變器在零下 40 攝氏度的常態(tài)環(huán)境中閑置一段時間后仍能 ‘重新啟動’。由于設(shè)備在移動土壤時必須承受巨大工作負(fù)荷，測試要求變得極其嚴(yán)格。對于電力電子設(shè)備制造商而言，這正是深入思考關(guān)鍵 MOSFET 可靠性及全溫度范圍內(nèi)電氣性能需求的契機(jī)。畢竟，僅憑室溫參數(shù)的數(shù)據(jù)表對比已無法滿足眾多應(yīng)用場景的需求。”
另一個示例涉及不間斷電源 (UPS)。Wolfspeed 一家生產(chǎn) UPS 的客戶正在受到人工智能飛速發(fā)展的影響。
“他們正在重新設(shè)計(jì)所運(yùn)營數(shù)據(jù)中心的內(nèi)部布局，然后進(jìn)行擴(kuò)建；在某些情況下，必須考慮移動 UPS 的實(shí)際位置，以便為服務(wù)器機(jī)架騰出空間。我們都知道，數(shù)據(jù)中心的冷卻至關(guān)重要，這也是碳化硅成為數(shù)據(jù)中心電源理想材料的其中一個原因，” Barkley 博士表示。他指出，這家客戶開始研究功率元件的硫耐久性，因?yàn)樗麄冎?，一些電源設(shè)備必須放置在整個建筑物內(nèi)硫含量較高的地方，以便優(yōu)化數(shù)據(jù)中心布局。“我認(rèn)為不僅僅是這一種情況，” Adam Barkley 表示。“例如，經(jīng)常走動區(qū)域常用的橡膠地板可能含有大量硫，因此有可能引發(fā)故障。當(dāng)然，不同國家和地區(qū)的空氣質(zhì)量可能會有很大差異，并且可能硫含量很高。”
“雖然零下 40 攝氏度的溫度看似并不那么可怕，但是就好比工程車的駕駛模式和操作場景與標(biāo)準(zhǔn)乘用電動汽車完全不同且需要更高一級的耐久性，這無疑重新定義了技術(shù)創(chuàng)新的挑戰(zhàn)。而且，數(shù)據(jù)中心不僅要應(yīng)對冷卻要求，在某些情況下還要創(chuàng)造性地考慮將 UPS 放置在哪些房間，因此這些設(shè)備必須能夠適應(yīng)新的環(huán)境，這也使得耐久性變得更加關(guān)鍵。”
“幸運(yùn)的是，碳化硅的固有特性確實(shí)使其在材料層面上比硅更耐用。然而，當(dāng)我們考察電力電子器件如何啟用（或禁用）終端系統(tǒng)在挑戰(zhàn)性環(huán)境中運(yùn)行的能力，而無需在最終產(chǎn)品的使用壽命中支付過度維修費(fèi)用時，我們開始收到客戶越來越多的相關(guān)問題或需求。我相信，電力電子行業(yè)在耐久性需求方面正在處于 ‘冰山一角’，能夠推動這一變革令人倍感振奮。”
與硅相比，碳化硅的其中一個關(guān)鍵優(yōu)勢在于效率更高。能夠突出這一特性的另一個示例是電動汽車的充電基礎(chǔ)設(shè)施。汽車電氣化是難以阻擋的全球趨勢，但為了推動電動汽車的普及，電動汽車充電行業(yè)正面臨著客戶對大幅縮短充電時間的需求，即希望充電時間能接近傳統(tǒng)汽車加油所需的時間。
傳統(tǒng)的快速充電樁功率在 20 - 25 kW 左右。“由于基礎(chǔ)設(shè)施的約束，存在著明顯的限制因素。公司不能僅僅通過將充電樁尺寸加倍來擴(kuò)充充電容量，” Adam Barkley 表示。“我們的一家客戶使用了我們的第 4 代碳化硅功率模塊，在尺寸和外形規(guī)格相同的情況下，功率翻了一番。他們目前正在升級到 60 kW 快速充電轉(zhuǎn)換器，唯一的設(shè)計(jì)改變就是采用了我們的碳化硅器件。因此，碳化硅毫無疑問可以實(shí)現(xiàn)更高效的應(yīng)用。我們也看到了客戶的使用方式：在保持外形尺寸的情況下最大限度地提高效率；在保持效率的情況下縮小外形尺寸；或者兩者的某種組合。我們希望讓客戶自行決定他們的 ‘最佳效率點(diǎn)’。我們的工作是提供工具，幫助他們最大限度地提升系統(tǒng)性能。”
最后，成本仍將是企業(yè)向新技術(shù)轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵。對 Wolfspeed 而言，我們的目標(biāo)是幫助客戶優(yōu)化系統(tǒng)成本，具體來說，我們通過提供更耐用的系統(tǒng)來最大限度地降低維護(hù)成本；通過轉(zhuǎn)向新的架構(gòu)和平臺縮短生產(chǎn)時間和設(shè)計(jì)周期；并通過減少無源元件的數(shù)量或尺寸/重量來降低物料清單 (BOM)。其中一個顯著的示例是 EPC Power，該公司與 Wolfspeed 攜手合作，打造出業(yè)界首款地面電站組串式逆變器，可應(yīng)對多種功率和電壓水平。
“從合作伊始，EPC Power 就明確表示，他們希望創(chuàng)建一個維護(hù)成本低、易于維修且可大規(guī)模生產(chǎn)的新系統(tǒng)，以便快速在全球部署。我只談這個成功合作伙伴關(guān)系的其中一個方面。解決其設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)的關(guān)鍵是，在全新 ‘M’ 逆變器中采用新發(fā)布的 2300V Wolfspeed WolfPACK 模塊。這一變化促使從典型的三電平架構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)楹喕膬呻娖焦β兽D(zhuǎn)換系統(tǒng)，不僅減少了柵極驅(qū)動數(shù)量，而且還降低了逆變器控制復(fù)雜性。此外，該解決方案還將系統(tǒng)設(shè)計(jì)從舊式的匯流排轉(zhuǎn)移到成本更低的 PCB，從而大幅縮短了開發(fā)時間，并降低了成本，” Adam Barkley 解釋道。
“與此同時，另一家客戶能夠在不需要對系統(tǒng)性能進(jìn)行任何折中的情況下，將設(shè)計(jì)中的碳化硅凈占用空間減少 30%，這對系統(tǒng)成本、重量和尺寸產(chǎn)生了積極影響，” 他補(bǔ)充道。
電力電子行業(yè)確實(shí)正在越來越多地轉(zhuǎn)向碳化硅等寬禁帶（WBG）器件，因?yàn)樵撔袠I(yè)致力于共同努力減少幾乎所有垂直領(lǐng)域（如工業(yè)、數(shù)據(jù)中心和移動出行等）的碳排放。這對于 Wolfspeed 而言是一大福音。目前，已推出一系列基于第 4 代的部件產(chǎn)品組合，其中包括 24 個單獨(dú)的部件編號，這些部件在外形尺寸、電壓節(jié)點(diǎn)和封裝選項(xiàng)上各不相同，但適合幾乎所有這些電力電子應(yīng)用。在未來 18 個月，Wolfspeed 將面向所有產(chǎn)品組合發(fā)布基于第 4 代的產(chǎn)品，并針對單獨(dú)應(yīng)用進(jìn)行專門產(chǎn)品優(yōu)化。
(來源：Wolfspeed)
