英飞凌650V CoolSiC™ MOSFET系列为更多应用带来最佳可靠性和性能水平

日期:2020-04-26
  


近年来,碳化硅(SiC)技术一直是业界关注和研究的热点。市场对节能减耗、尺寸缩减、系统集成以及可靠性的要求日益提高,推动着SiC功率半导体解决方案在各个领域的应用大幅增长。作为全球领先的半导体科技公司,英飞凌在SiC领域深耕多年,致力于研发和创新前沿的SiC技术、产品和解决方案,以满足客户对高能效、高可靠性和高功率密度等方面的需求。
日前,英飞凌科技股份公司进一步扩展其碳化硅(SiC)产品组合,推出了650V器件。为此,该公司举办650V CoolSiC™ MOSFET新品媒体在线发布会,英飞凌科技电源与传感系统事业部大中华区开关电源应用高级市场经理陈清源先生介绍了其最新的650V CoolSiC™ MOSFET解决方案,并与媒体一起探讨 碳化硅领域的行业趋势,分享与市面上其它硅基以及碳化硅解决方案相比,英飞凌的650V CoolSiC™ MOSFET带来的技术革新和更加吸引人的优势。

 
碳化硅:机遇空前和前景可期
陈清源首先自信地表示,英飞凌独家掌握所有功率半导体技术,是市场上唯一一家能够提供涵盖硅(Si)、SiC和氮化镓(GaN)等材料的全系列功率产品的制造商。而全新CoolSiC™系列是其成为工业SiC MOSFET开关领域头号供应商的有力支持。

根据IHS预测,在650V SiC MOSFET市场,按应用领域划分(不包括电动汽车、军事和航空),电源将是其主要应用,另外还有一些增长是可能比预期强劲的新兴应用。

谈到碳化硅的前景,陈清源认为,电力电子技术的优势让其体现的淋漓尽致——更高的运行电压、更薄的活性层、更高的效率,进而具备了更高的功率密度、更大的开关频率和更好的散热性能。宽带隙热导率是硅的3倍多,电子漂移速度大概2倍。其物理特性对于使用者和设计者而言,它可以运行在更高的电压,达到更高的效率。因为它各方面的速率比较高,可以让功率器件轻薄短小,占比较小的空间,以及更高的开关频率,降低体积。当然,散热性能也比硅好。

他说,CoolSiC™ 是英飞凌的碳化硅品牌,包括碳化硅二极管和碳化硅MOSFET两大类,还提供混合模块。

 
应用优势和价值何在?
那么,英飞凌650V CoolSiC™ MOSFET技术和产品具有哪些优势和价值呢?陈清源介绍说,从封装来看,产品可以分为两大类,一类是TO-247-4。另一类是TO-247-3,它们在18V的RDS(on)最大值和典型值有所不同,当然,目标应用也不一样。

他说,从静态导通电阻来看,英飞凌有4个产品,从27 mΩ到107 mΩ。这是第一个阶段,以后陆续会推出更多的封装应用在不同领域。目前的目标市场是服务器、数据中心,比如:通讯电源,无论是4G、5G、大基站、小基站,事实上氮化镓都是一个可以考虑而且还是很适合的产品。工业电源、光伏、充电桩、不间断电源系统,以及能源储存的部分,这些都是目标市场,而且这几个目标市场也是往后增长快速的一个市场。
CoolSiC™ 是最完整的SiC MOSFET技术,从性能来看,在静态特性方面的单位面积电阻(RDS(on) x A)Ron与温度的相关性,以及动态特性方面的总Eoss器件电容、栅极和恢复电荷都表现优异。而在坚固性、可靠性方面,栅极氧化层可靠性可媲美IGBT或CoolMOS™ 的FIT率;抗寄生导通VGS(TH)>4V;适用于硬换向的体二极管,同时具有抗雪崩能力和抗短路能力。易用性方面,宽VGS电压范围;0V关断电压VGS,更易于导入各种设计。
另外,其RDS(on)与温度的关系曲线较为扁平,如图所示,Si、SiC和GaN在不同温度(Tj)下出现了归一化RDS(on)。RDS(on)与温度的相关性达到最佳状态,可以使用成本较低的RDS(on)较大的技术;导热性能最佳,可以在高温下运行。

陈清源告诉记者,MOSFET有沟槽式和平面式之分,其栅极氧化层可靠性和性能也不一样。DMOS在导通状态下,性能与栅极氧化层可靠性之间需要进行很大的折衷;而沟槽式则更容易达到性能要求,而不偏离栅极氧化层的安全条件。所以针对栅极氧化层的设计难点,英飞凌将CoolSiC™ MOSFET定位在可靠性和性能最佳化的沟槽式。以碳化硅MOS为例,在同样的可靠度发,碳化硅沟槽式设计会远比平面式的碳化硅MOS拥有更高的性能。

此外,沟槽式MOSFET的Qrr和Qoss都低,适合硬换向拓扑结构,因为在Qrr和Qoss等参数上能使用较小的值,使CoolSiC™ MOSFET非常适合CCM PFC图腾柱等硬换向拓扑结构,并能达到很高的效率。

他解释说,只有PFC效率达到99%,系统效率才能达到98%,英飞凌解决方案的PFC图腾柱性能一流,因此可以应用于开关电源、光伏逆变器、电池化成、电动汽车单相充电和不间断电。

那么,CoolSiC™ MOSFET的独特优势体现在哪些方面呢?一是最佳性能、优异的坚固性和最高的可靠性,易于使用和集成,这源于沟槽技术可确保栅极氧化层可靠性,同时确保不牺牲性能,还包括抗寄生导通、可靠的体二极管和低Qrr、宽Vgs电压范围、0V关断电压Vgs(Vgs,th = 4.5V)、抗雪崩和短路能力、温度对Ron的影响小、压摆率Dv/dt可控以及FOM有竞争力。二是生产和供应有保障、成本降低潜力、不受技术限制,这来自于英飞凌非常有实力的SiC技术研发、创新、生产、扩产和供应商战略,以及专门针对于SiC技术的特定流程和筛选程序(双极退化筛选)的最佳质量保证;也包括其系统理解和支持基于Si技术的转型升级。
正是这些独特优势造就了CoolSiC™ MOSFET对应用的好处,如提升性能、坚固性和可靠性,提高功率密度,缩小系统尺寸,简化设计,降低系统成本,可满足包括服务器、电信和工业SMPS、太阳能系统、能源存储和电池化成、不间断电源(UPS)、电机控制和驱动以及电动汽车充电在内的大量应用与日俱增的能效、功率密度和可靠性的需求。但是,在实际应用中,并非所有好处在每项应用中都能同等呈现,因为有些好处可能会相互冲突。
陈清源还详细介绍了650V CoolSiC™ MOSFET的一些典型应用。第一个是数据中心PSU电源,超大型数据中心的需求是高效率(即3kW以上系统的效率应超过96%)、设计简化、功率密度更高、零部件数减少。其适用的系统开关电源为1.6 KW – 6 kW+。650V CoolSiC™ MOSFET能够更少的零部件数实现98%的一流系统效率,损耗降低30%以上,功率密度是硅技术两倍,同时设计简化,可基于CoolMOS™或其他超结MOSFET进行轻松升级,系统可靠性高。

对于电信(5G)PSU电源,650V CoolSiC™ MOSFET具有同样的好处。5G小基站是通过分布式和小型室外和(部分)室内天线部署5G的设备,其需求是工作温度范围宽(-45℃ – 80℃)和自然冷却,有严格的浪涌测试要求,需要高可靠性、高密度,抗恶劣环境。其适用对象是300 W –1300 W开关电源。另外,为为中央宏基站提供基站支持的基带单元,以及计算和数据存储更接近于需要其位置的边缘计算的要求也差不多。对于这些系统,650V CoolSiC™ MOSFET的好处在于适用于严酷、无风扇和高温的工作环境,可以更高的功率密度达到目标效率,相比Si技术,高温条件下(100℃时)的Ron改进32%,系统可靠性更高。
储能系统要求能效、可靠性、双向性、体积和重量减小,650V CoolSiC™ MOSFET适用于1 – 50 kW系统,好处是效率更高,尺寸和重量减小,可实现更高频率,因此减少了磁性元件;损耗降低,散热需求减少(散热器减少),简化双向拓扑,零部件数减少;坚固耐用,系统可靠性更高。
对UPS电源(1 KVA – 10 KVA的单相UPS模块和10 KVA – 20 KVA的三相UPS模块),650V CoolSiC™ MOSFET具有能效、可靠性、功率密度方面的好处,较高频率的效率更高,轻载工况下效率提高,系统可靠性高,尺寸和重量减小,总体系统成本降低,热损耗降低,冷却成本降低。
 
Si、SiC和GaN定位比较
至于600V/650V CoolSiC™、CoolMOS™与CoolGaN™的应用定位,陈清源表示,硅在电压范围为25 V – 1.7 kV仍是主流技术,适用于从低到高功率的应用;碳化硅适用的电压范围是650V – 3.3 kV,适用于开关频率从中到高的大功率应用;而氮化镓适用的电压范围是80V – 650V,适用于开关频率最高的中等功率应用。在600V和650V电压等级英飞凌的价值主张是:CoolMOS™、CoolSiC™和CoolGaN™ 共存,以满足以下各种应用的需求:数据中心和电信开关电源、工业开关电源、太阳能光伏逆变器、储能、UPS、电池化成、电动车充电、电机驱动加OBC(车载充电器)等汽车应用。
具体讲CoolMOS™ SJ MOSFET能够以最高性价比满足最高效率要求,包含的市面上最为广泛、成熟、稳定、可靠的产品;CoolSiC™ MOSFET兼顾优异性能与坚固性和易用性,在高温下和恶劣环境中能达到高可靠性,系统尺寸缩小;CoolGaN™ HEMT兼顾最高效率和最高开关频率,系统尺寸最小化,有助于实现系统集成。从技术对比中可以看出三种产品的性价比与应用系统高度相关。图中灰色为CoolMOS™ SJ MOSFET,蓝色为CoolSiC™ MOSFET,紫色为CoolGaN™ HEMT。

陈清源最后表示,650V CoolSiC™ MOSFET系列共8个版本,采用两种插件TO-247封装,现已支持订购。三种专用栅极驱动器IC已于2020年3月起供货。通过立足于市面上最可靠的SiCMOS技术,英飞凌推出了650V CoolSiC™,兼顾一流性能、坚固性和易用性的独特优势。英飞凌拥有现成的新产品导入(NPI)经验,还将制定持续数周乃至数月的、由多个部门参与的详细的产品上市计划,不断扩大产品范围,器件数量从8个扩展至50个以上(包括SMD在内),支持客户在他们的应用中采用新技术。他同时强调,英飞凌是全球功率器件市场占有率最高的供应商,在沟槽式设计的优势方面已经有20年的经验积累,无论是控制良率,还是稳定性控制,都已经很有心得;为了保障交货的稳定、安全,所有主要元件都会有不同的供应商,没有任何供货问题。
 
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