Yole Group和Serma Technologies聯(lián)手分析了來自領(lǐng)先制造商的五種批量生產(chǎn)的SiC MOSFET的性能，并了解了他們的技術(shù)選擇。
Yole Group半導體基板與材料高級技術(shù)與成本分析師Amine Allouche表示：“電動汽車、可再生能源和工業(yè)自動化等行業(yè)對高效可靠的電力電子系統(tǒng)的需求日益增長，這增加了對SiC MOSFET進行徹底分析的必要性。”
在此背景下，市場、技術(shù)、性能、逆向工程和成本分析公司Yole Group除了其年度市場和技術(shù)報告《功率SiC和功率SiC–Manufacturing 2024》及其季度報告《功率SiC/GaN化合物半導體市場監(jiān)測》外，還與Serma Technologies合作，推出了其新的SiC MOSFET分立器件性能分析報告。
功率SiC制造
Yole Group認為，由于產(chǎn)能擴張，功率SiC WFE（晶圓前端設(shè)備）市場將在2026年達到51億美元的峰值，設(shè)備制造商將解決產(chǎn)能過剩和特定制造挑戰(zhàn)問題。
數(shù)十億的功率SiC市場正在吸引各個層面的重大投資和產(chǎn)能擴張，包括器件、外延晶圓和晶圓。設(shè)備廠商正在不同地點進行設(shè)施建設(shè)。SiC晶圓制造一直被認為是一個瓶頸，因此過去幾年產(chǎn)能大幅擴張，尤其是在中國，推動了大量的設(shè)備訂單。
盡管短期內(nèi)受到全球經(jīng)濟的不利影響，但功率SiC和GaN在2029年分別保持了超過100億美元和22.5億美元的增長軌跡。投資并購重塑了功率SiC和GAN市場。
多家碳化硅公司宣布了未來幾年的產(chǎn)能擴張計劃，以滿足終端系統(tǒng)的要求，特別是在汽車領(lǐng)域。意法半導體、安森美、英飛凌、Wolfspeed和羅姆等領(lǐng)先的器件制造商都在不同地點進行設(shè)施建設(shè)。
最近一個季度，廠商的投資有了一些更新。在SiC晶圓和外延晶圓層面，大規(guī)模產(chǎn)能擴張在2023年實現(xiàn)了強勁增長，尤其是在中國。然而，這也導致了SiC材料的產(chǎn)能過剩。此外，8英寸SiC平臺實現(xiàn)了技術(shù)規(guī)模的擴大，顯著降低了成本。Wolfspeed的MHV晶圓廠自2022年開業(yè)以來一直在不斷擴大。更多的設(shè)備制造商計劃在H2-24開始批量出貨。
鑒于純電動汽車增長放緩，2024年SiC市場將面臨較低的增長。H1-24的供應(yīng)鏈正在去庫存，等待2025年更強勁的增長。
SiC MOSFET分立器件性能比較分析
Serma Technologies是一家服務(wù)和技術(shù)公司，致力于半導體、材料、復合材料、汽車、系統(tǒng)、電池、水力發(fā)電以及信號和電力電子太陽能的專業(yè)技術(shù)、分析、控制、測試、咨詢和信息活動。Serma Technologies在研發(fā)、設(shè)計、制造和維護階段為客戶提供長周期的工業(yè)服務(wù)。
Serma Technologies的測試臺
該公司與Yole合作在相同的測試條件下評估和比較了來自全球制造商的五個1200V級分立SiC MOSFET（以及一個參考Si IGBT器件），對關(guān)鍵參數(shù)和特性進行了評估，為工程師、研究人員和尋求優(yōu)化電源解決方案的行業(yè)提供有價值的見解。
這份新的SiC MOSFET分立器件性能比較分析報告深入研究了所選SiC MOSFET的靜態(tài)性能，以全面了解其優(yōu)點。器件包括Wolfspeed（C3M0075120D）、羅姆（SCT3080KLHR）、英飛凌（AIMW120R080M1）、意法半導體（SCTW40N120G2VAG）、安邦半導體（AS1M080120P）和作為參考的英飛凌Si IGBT器件（IKW15N120CS7）。值得一提的是，安邦半導體是一家位于中國深圳的公司。
·Wolfspeed C3M0075120D
采用C3M? MOSFET技術(shù)N溝道增強模式SiC MOSFET，具有高阻斷電壓、低導通電阻、低電容高速開關(guān)、低反向恢復（Qrr）快速本征二極管等特性。應(yīng)用包括：可再生能源、電動汽車電池充電器、高壓DC-DC轉(zhuǎn)換器、開關(guān)電源等。有助于提高系統(tǒng)效率，降低冷卻要求，增加功率密度，?提高系統(tǒng)開關(guān)頻率。
·羅姆SCT3080KLHR
采用溝槽柵極結(jié)構(gòu)的N溝道SiC-MOSFET。與平面型SiC-MOSFET相比，同一芯片尺寸的導通電阻可降低50%，這將大幅降低太陽能發(fā)電用功率調(diào)節(jié)器和工業(yè)設(shè)備用電源、工業(yè)用逆變器等所有相關(guān)設(shè)備的功率損耗。特性：低導通電阻、快速開關(guān)速度、快速反向恢復、易于并聯(lián)驅(qū)動。
·英飛凌AIMW120R080M1
車規(guī)級CoolSiC? MOSFET，有助于增加開關(guān)頻率，顯著減少磁性組件體積和重量，最多可減少25%，降低應(yīng)用成本。該器件1200V開關(guān)的最低柵極電荷和器件電容電平、內(nèi)部換流體二極管無反向恢復損耗、與溫度無關(guān)的低開關(guān)損耗和無閾值導通狀態(tài)特性，有助于保證簡單設(shè)計和易于控制的應(yīng)用設(shè)計。主要應(yīng)用包括：混合動力、純電動汽車車載充電器OBC和DC-DC應(yīng)用。
·意法半導體SCTW40N120G2VAG
采用意法半導體先進和創(chuàng)新的第二代SiC MOSFET技術(shù)開發(fā)的。該器件的單位面積導通電阻非常低，開關(guān)性能好，開關(guān)損耗的變化幾乎與結(jié)溫無關(guān)。這款汽車級碳化硅功率MOSFET為1200V、33 A、75mΩ（典型值，TJ=25℃），AEC-Q101認證，工作結(jié)溫能力（TJ=200℃），非常快速和堅固的本征體二極管，極低的柵極電荷和輸入電容，采用HiP247封裝。應(yīng)用包括：主逆變器（電力牽引）、EV/HEV用DC/DC轉(zhuǎn)換器、車載充電器（OBC）等。
·安邦半導體AS1M080120P
安邦半導體的AS1M080120P是一個TO-247-3 N溝道1200V 36A SiC功率MOSFET，不知道Yole Group和Serma Technologies為什么找來這款器件進行評估，因為該公司并沒有上述大廠那么知名。AS1M080120P的特點包括：高阻斷電壓、低導通電阻；低電容高速開關(guān)；易于并聯(lián)，驅(qū)動簡單。適用于開關(guān)電源、高壓DC/DC轉(zhuǎn)換器、電機驅(qū)動器等應(yīng)用。
英飛凌IKW15N120CS7
選擇這個硅器件的目的是與SiC功率MOSFET 進行對比。1200V/15A TRENCHSTOP? IGBT7 S7單管帶有EC7二極管，適用于硬開關(guān)，采用 TO-247 封裝。該產(chǎn)品具備低 VCEsat，在目標應(yīng)用中可實現(xiàn)極低導通損耗，同時，其中非常軟的快速二極管有助于將開關(guān)損耗降至最低，從而降低總體損耗。應(yīng)用包括：電機控制、不間斷電源（UPS）等。
對上述器件的比較分析涉及在不同操作條件下評估關(guān)鍵指標，如導通電阻、漏極到源極電壓、閾值電壓、擊穿電壓、漏電流等。該報告還提供了所測試器件的重要參數(shù)的數(shù)據(jù)和圖表，包括在不同溫度（-55℃、-40℃、25℃、150℃、175℃）下測試的RDS(on)(VGS)、RDS(on)(IDS)、VDS、VGS(th)、VBR(DSS)、IDSS、IGSS、QG、IDS(VDS)和ISD(VSD)。例如，通過表征Vgs（th）和擊穿電壓Vbr的溫度演變，以評估所比較器件在整個溫度范圍內(nèi)的溫度穩(wěn)定性行為。
可以看到，這些SiC器件的導通電阻在75-150mΩ之間，相差還是很大的，關(guān)鍵在于針對應(yīng)用場景選擇合適的器件。
標稱柵源閾值電壓VGSth=f（T℃）測試
Serma Technologies功率元件測試經(jīng)理Pierre-Emmanuel Blanc，“性能測試在各種溫度下進行，并符合JEDEC規(guī)范和標準，如JESD 24和JEP 183。測試方案為每個參考測試三個DuT。”他指出，在相同的測試條件下進行的第三方客觀分析提供了比器件數(shù)據(jù)表通常提供的更可靠的性能比較。
此外，Yole Group還對所有器件進行了物理分析，提供了光學和SEM圖像，以及封裝敞開和管芯橫截面的詳細測量結(jié)果。最后根據(jù)設(shè)備的“性能與成本”權(quán)衡對其進行比較。
分立SiC MOSFET和Si IGBT封裝敞開光學圖像
給出的結(jié)論
報告顯示，如果在最佳模式下或在性能測試確定的特定條件下使用，在各種溫度范圍內(nèi)，一些SiC器件在性能方面具有明顯的競爭優(yōu)勢。因此，1200V SiC MOSFET是BEV向800V系統(tǒng)過渡的推動者。
報告認為，1200V SiC MOSFET是BEV向800V系統(tǒng)過渡的推動者。事實上，SiC MOSFET已成為電力電子領(lǐng)域的關(guān)鍵，以其卓越的性能特征改變了眾多應(yīng)用。SiC MOSFET具有令人印象深刻的特性，包括高擊穿電壓、低導通電阻和優(yōu)異的導熱性，使其成為高頻和高溫環(huán)境下功率開關(guān)器件的理想選擇。Yole Group預(yù)測，到2029年，SiC器件市場將達到100億美元。
