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[导读]SiC的市场前景已经毋庸置疑,从光伏、储能到电动汽车,无不推动着SiC的用量激增。根据Yole Intelligence最新发布的2023年版功率SiC报告,预计到 2028 年,全球功率SiC器件市场将增长至近90亿美元,比2022年增长31%。汽车应用在SiC市场中占据主导地位,占到70%。

SiC的市场前景已经毋庸置疑,从光伏、储能到电动汽车,无不推动着SiC的用量激增。根据Yole Intelligence最新发布的2023年版功率SiC报告,预计到 2028 年,全球功率SiC器件市场将增长至近90亿美元,比2022年增长31%。汽车应用在SiC市场中占据主导地位,占到70%。

在看到了其中蕴含的确认性的巨大机遇后,国际一线芯片供应商纷纷投身其中,展开了一场在产品设计上的竞逐和生产制造上的豪赌。而在这一场浪潮中,onsemi成为了最大赢家。从2021年的全球市场份额排名排名第五,到2022年排名第四,再到2023年排名第二,全年销售额达到了8亿美金。onsemi在SiC领域是一路高歌猛进,直冲云霄。

尤其是在近两年的行业逆行周期中、来自工业和汽车的需求遇冷的前提下,能够取得如此的成绩,实属令人赞叹。而这成绩背后,是来自产品、制造、应用方案和投资策略等多个维度的领先。

近日onsemi开启了以“碳”路先锋技术日暨碳化硅和功率解决方案系列全国巡回研讨会,我们参加了首站北京的活动,并有机会采访到了安森美(onsemi)的FAE经理黄延龙和安森美先进方案部汽车领域的市场营销经理张青,两位进行了精彩的分享。


EliteSiC:生产垂直整合,产品横向覆盖

SiC器件本身的特性决定了其在高温高压场景下有着比传统Si器件更优异的表现,能够明显提升系统开关频率,降低开关损耗。但正是因为开关频率的提升,让其在设计和制造过程中也面临着一系列新的挑战。在一些高开关频率的应用中,SiC器件的Vgs过冲会比IGBT高;更高的开关频率也带来了更高的热量产生,因此热应力方面的处理也是SiC器件的关键;更快的开关速度会引发更大的di/dt(电流变化率)和dv/dt(电压变化率),从而产生更强的高频噪声,这也意味着SiC器件每次开关过程中产生的EMI更高。因此,要发挥SiC器件的材料特性,将其转化为高频应用中的真正的优势,就需要SiC器件供应商从设计、生产、制造和封装多个维度进行优化,而这也正是onsemi的技术优势所在。

onsemi的“EliteSiC”产品系列,包括一系列SiC MOSFET和模块,这些产品在各种应用中表现出色,特别适用于电动汽车(EV)主驱逆变器、能源基础设施和5G电源等领域。这些产品以高效率、可靠性和在苛刻条件下的稳定运行著称。

在SiC方面的,onsemi重要转折点是2021年收购GT Advanced Technologies。这次收购使onsemi能够建立从衬底生产到器件制造的垂直整合供应链,确保了高质量SiC材料的可靠供应。

据了解,安森美目前的第三代EliteSiC产品,采用的是业界最为稳定的Planar工艺,die尺寸相比上一代缩减了90%。Die Size的减小带来了成本的大幅优化,同时这一工艺也大大降低了开关损耗。

在晶体生长方面,安森美采用了行业内最为成熟的长晶技术——物理气相传输法为主(PVT),这一技术可以保证SiC的晶锭剂量。而其KABRA激光切片技术,则大大提升了晶圆制造速度。传统的制造方法一片晶圆切割需要3.1小时,而安森美的技术目前仅需10分钟。

针对高过冲应力,EliteSiC器件采用了先进的门极驱动电路设计,控制开关过程中电压和电流的过冲。此外,通过优化封装设计,减少器件内部及连接电路中的寄生电感和电容,从而降低过冲应力,提高器件的可靠性。

onsemi不仅拥有从前道到后道的完整的产业链,还具备宽广的产品型号和类型可供客户根据不同的设计目标选择。从电压类型上来看,onsemi提供了650V、1200V和1700V三种不同电压等级的产品系列。从封装上来看,onsemi提供了全面的封装类型,包括裸Die、单管TO-247-3/4、D2PACK-7、Toll MOSFET、以及F1/F2/SSDC/ASPM/DSC等多种模块。

黄延龙表示,除了EliteSiC系列产品外,onsemi还拥有包括驱动、辅助电源、模拟器件、传感器等在内的完整产品类型,可以一站式满足客户系统级方案。


更智能SiC栅极驱动器:解决系统设计痛点,释放SiC潜能

SiC器件需要特殊的驱动条件,特别是较高的栅极驱动电压和电流,这与传统的Si器件有显著差异。对于设计工程师而言,从基于传统Si器件的系统设计到基于SiC的系统设计,面临着一系列的新的挑战。要释放SiC的潜能,快速完成系统设计,一个好的SiC栅极驱动器能够让工程师事半功倍。

据张青介绍,SiC栅极驱动器再各个层面上都有特定的要求,以确保SiC器件的高效可靠运行。首先在器件层面,栅极驱动器需要满足SiC器件非常快的开关频率,波形要具备非常锐利的上升和下降边缘,它应提供足够的正向开启栅极电压和足够的负向关断电压,以及足够的开启栅极电流。在电路拓扑层面,尤其是主驱逆变器的设计中,要具备足够的SiC诊断和保护功能,其中包括:栅极驱动器必须包括隔离、过电流和短路保护、过电压保护、米勒钳位、死区时间控制和共模瞬态抗扰度(CMTI)等功能。而在系统层面,必须具有主动短路保护机制,能够安全地进行直流电容放电,并提供用于监测的ADC和栅极监测功能,以确保系统的安全性和可靠性。

针对这一系列的要求,onsemi将推出全新的车规级SiC驱动器。据悉,这款新的驱动器主要用于驱动SiC MOSFET。为了实现最低的导通损耗,该驱动器能够向SiC MOSFET器件提供最大允许的栅极电压。通过在开启和关闭过程中提供高峰值电流,开关损耗得到了最小化。为了提高可靠性、dV/dt抗扰度和更快的关断速度,该驱动器可以利用其板载电荷泵生成用户可选的负电压轨。对于隔离应用,该驱动器还提供一个外部可访问的5V电源轨,用于为数字或高速光隔离器的次级侧供电。其特点包括高峰值输出电流、最大28V的正电压额定值、用户可调的内置负电荷泵(-3.3V至-8V)、可访问的5V参考/偏置轨、可调的欠压锁定、快速饱和功能,以及尺寸为4x4毫米的QFN24封装,并且通过了AEC认证。

据张青介绍,与竞品相比,该即将推出的驱动器有着更好的参数表现,并且集成了更加智能的功能。

首先,当前中国汽车厂商开始追求性价比,而在这一过程中,有一个SiC驱动器的指标就变得很关键,那就是短路承受时间。在以前的传统做法,为了实现足够好的保护效果,通常会将保护的过载倍数设置的高一点。而现在,透过该驱动器提供的更精确的保护,从而实现了在更小的Die的面积下,更短的短路承受时间,这也就带来了整个系统层面的功耗的进一步降低和体积优化。

另外一方面,在出现故障的时候。对于大电流的快速关断会出现dc/dt,所以就需要一种软开关的策略。而在该驱动器中,采用的是一种可编程可配置的软关断策略。这种设计,为客户提供了更多的关断策略上的调整的可能。

另外特别值得一提的该驱动器的part to part skew可以做到很好,因此在1nF负载下可以做到仅仅为正负25ns,这是目前为止业界最好的表现,相比其他竞品的仅仅能做到50ns以上。这个参数的优异表现,意味着在两个单管的上下管直通设计中,可以设置更为精确的、更短的死区时间。因为如果两个芯片的参数差异很大,那么死区设置时间也就无法实现。

张青表示,SiC栅极驱动器正在变得越来越智能化、内部集成功能越多越多。这样一方面可以降低客户在电路调试方面的困扰,另一方面还可以帮助客户减少设计面积。此外,因为整个栅极驱动器都达到了ASIL-B的标准,也进一步帮助客户满足功能安全的需求。


下一步:8英寸厂投产在即,M4 SiC转向沟槽工艺

据悉,onsemi韩国富川的碳化硅超大型制造工厂扩建工程已经完工,全负荷运行每年可生产超过一百万片200mm SiC晶圆。而其第四代SiC也将从业已成熟的M3S平面工艺转向更高性能的M4沟槽工艺,这有助于其追求Rsp的持续降低,为客户带来更高效能和更低损耗的全新SiC产品体验。

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