內行看門道 —— 如何比較SiC第三代半導體功率器件的性能，兼評市面上主要SiC產品技術先進性

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2022-03-17 07:31:20 10

導讀：氮化鎵GaN、碳化硅Silicon Carbide（簡稱SiC）為第三代半導體具備優異的材料物理特性，在提升電力電子器件的性能提供了更大的空間。SiC功率器件作為電源系統最基礎的半導體零部件，因其廣泛的軍民應用場景如，電動汽車，高鐵，太陽能、風能電網并網，UPS不間斷電源，電磁彈射等領域大幅度提升功率能源效率，成為新能源市場的新寵。

開篇前的閑聊

第三代半功率器件的重要性是提升功率，增*率，減小體積不可繞過的領域。*逐漸對半導體領域的重視，以及資本市場也開始紛紛投來關注，特別是在貿易戰忽明忽暗的局勢中，大家更是意識到自主化生產功率器件的重要性。如同游戲中的所需的必要裝備，為了合成神器，功率器件這一份元素是無論如何也繞不開的話題。如今三代半功率器件板塊的國產隊伍也紛紛異軍突起，異常熱鬧，其中派恩杰公司已經生產出性能優秀的碳化硅功率器件。
下面正式來聊聊SiC的性能優異表現在哪些方面。

功率器件的損耗值

功率器器件其性能的重要指標無外乎是其總體損耗total loss，它包含兩部分，一個是 導通損耗 （Conduction Loss）一個是 開關損耗 （Switching Loss）。也就是說損耗越低，效率越高，從而能得到更小的體積，更高的效率和更輕的重量，更適合現代化應用需求。例如特斯拉Model 3之所以能夠將價格降低到25萬左右，其中一個很重要的原因就是因為他們使用了SiC方案，使得電池性能提升，體積重量變小，從而減少其它方面的成本。

為了幫助應用商及資本方了解行業內功率半導體器件及其主要參數指標是怎么在業內被比較和評估的，我們將在下文中橫向對比各個同時簡評一下各家擁有SiC MOSFET器件產品的技術優劣。

派恩杰參數*

在老一代電力電子應用中，由于開關頻率偏低，導通損耗占主要地位，一位本行業的開山鼻祖，美國科學院院士 Jayant B. Baliga教授 （下文簡稱巴神）早在1989年就提出了一個評價功率器件導通損耗的品質因數

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（參見[i]），ε其中是半導體材料電介常數，μ是電子遷移率，E_C是擊穿電場。根據巴神的公式，如果我們把硅材料的BFM因數作為1個單位，那么SiC材料的BFM因數是231個單位。這有什么意義呢？這說明，制作同樣高電壓的多子功率器件（MOSFET，肖特基二極管等）， SiC材料的導通電阻小230倍！這意味著同樣電流下的導通損耗，SiC器件也比硅器件也小230倍！GaN相對硅的歸一化BFM是2097，Ga2O3是6170！用通俗話來總結就是，巴神早在1980年代就預言， 未來的功率半導體一定是寬禁帶半導體的天下！

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圖片i

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Jayant B. Baliga
隨著近20多年電力電子技術的發展，人們發現開關更高的開關頻率可以減少電路中電容和電感等被動元件的使用，減小系統體積和重量。但是，隨著系統頻率的升高，功率器件的開關損耗日益顯著，所需散熱系統的成本和體積也相應變大，導致系統不能進一步通過提高頻率得到顯著優化。另外一名*教授， Alex Q. Huang ，在2004年提出一個綜合評價器件導通損耗和開關損耗的品質因數

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（參見[ii]），其中R_ds,on是器件的導通電阻，與導通損耗成正比，Q_gd是器件柵漏米勒電容所存儲的電荷，與開關損耗成正比。同時，因為R_ds,on跟器件面積成反比，Q_gd跟器件面積成正比，他們的乘積剛好抵消器件面積（或者說成本）的影響，展示出這個器件在高頻工作下總體損耗水平。也用通俗的話來總結就是，HDFM品質因數越小，象征著器件的總體 損耗就越小，效率就越高 ！

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Alex Q. Huang
采用這個方法，我們來比較一下市面上各大SiC MOSFET 供應商的產品性能：

廠家	英飛凌	意法	科瑞	羅姆	派恩杰	某國產品牌
產地	歐洲	歐洲	美國	日本	中國	中國
技術平臺	*代溝槽	第二代平面	第三代平面	第三代溝槽	第三代平面	第？代平面
Rds,on (m?)	90	60	75	80	80	80
Qgd (nC)	5	35	20	25	9.3	54
	21.2	45.8	38.7	44.7	27.3	65.7
歸一化HDFM	1	2.16	1.83	2.11	1.29	3.10
*以上數據來自互聯網可公開下載的datasheet。

我們通過這個對比表格先說結論吧。 在平面MOS技術中，作為國產品牌的派恩杰半導體的產品已經**，并且非常接近工藝復雜的溝槽MOS技術！ 在理想情況下，同樣的應用場景，如果以英飛凌最新的CoolSiC器件作為對標，且該器件的總體功耗最低為10W，派恩杰的SiC MOSFET功耗為12.9W，科瑞的產品功耗為18.3W, 意法半導體和羅姆的功耗接近為21W，某國產品牌的功耗為31W。

結語

在交通工具電氣化，新大基建等項目的推動下，碳化硅器件將成為各大電源廠的戰略布局重點。特斯拉*與意法半導體合作，大眾汽車擁抱科瑞……能*占SiC功率器件的最新技術和產能的電源廠將得到不可比擬的戰略優勢。

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