碳化硅 (SiC) 技術是功率器件市場和更廣泛的半導體行業(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率，這有助于制造商在越來越小的電力電子系統(tǒng)中實現(xiàn)更高的功率密度。特別的一點是，碳化硅器件具有更高的功率轉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域的領先制造商，正式發(fā)布了第 4 代碳化硅 MOSFET 技術平臺。該平臺通過優(yōu)化開關特性，針對性解決了高功率設計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，能夠為一種器件或技術提供全新或更佳的品質因數(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家不斷奮進，” Wolfspeed 功率器件副總裁兼研發(fā)負責人 Adam Barkley 博士表示。“但作為 Wolfspeed 的技術開發(fā)負責人，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際應用挑戰(zhàn)上。因此，全新第 4 代技術令我倍感自豪：可以直接改進客戶系統(tǒng)的開關波形和效率曲線。”
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。更重要的是，Wolfspeed 不僅專注于提升其中一個品質因數(shù)，第 4 代平臺還解決了工程師日常努力應對的三大關鍵問題：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現(xiàn)有意義的改進，因為我們知道，每個客戶的設計或開發(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 曾擔任多個應用工程、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)設計挑戰(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因數(shù)和器件性能規(guī)格，助力實現(xiàn)上述目標。“我來給大家舉幾個示例，” 他解釋道。“為了提高系統(tǒng)耐久性，我們選擇將重點放在最大限度地延長短路耐受時間上，以便為設計工程師提供額外的安全裕度。在某些汽車應用中，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)運行于最大安全工作區(qū)間，并承受過載或過壓工況的嚴苛考驗。對于此類特定應用用例，我們的芯片產(chǎn)品經(jīng)過了認證，可以在 185°C 下連續(xù)運行，并能夠在 200°C 下進行有限壽命的運行。”
軟恢復體二極管的 VDS 過沖降低 27%，因此實現(xiàn)了更快的開關速度，同時減少了損耗和振鈴。除此之外，還在反向恢復場景中最大限度減少了 EMI，無需權衡本體二極管恢復電荷，從而簡化了 EMC 合規(guī)流程，同時實現(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現(xiàn)的改進；與 Wolfspeed 第 3 代器件相比，失效率即 FIT 降低到了 1/100，” Adam Barkley 表示。他補充道，還在常規(guī)開關行為期間的整體效率方面取得了重大改進。
“我們的第 4 代產(chǎn)品改進了硬開關和軟開關應用的導通損耗。硬開關應用的開關損耗降幅達 15%，從中獲益良多。該平臺具有出色的 175°C RDSON，有助于降低導通損耗，再加上同時實現(xiàn)的這些增強功能，進一步鞏固了 Wolfspeed 在各種操作條件下的性能承諾。”
Wolfspeed 的第 4 代平臺幾乎能夠實現(xiàn)各種關鍵應用。據(jù) Barkley 博士稱，這項技術將成為 Wolfspeed 長期研發(fā)路線圖的新基石，圍繞應用優(yōu)化的功率模塊、分立器件及裸芯片解決方案構建技術生態(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、電機驅動、能源儲存、面向人工智能的數(shù)據(jù)中心，還是可再生能源應用的電源相關工作，我們認為第 4 代平臺都可以為您帶來優(yōu)勢。”
應對行業(yè)挑戰(zhàn)
Wolfspeed 的第 4 代技術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)實示例。
“本質上，可靠性是指能夠始終如一地通過行業(yè)定義的一系列標準化測試，” Adam Barkley 解釋道。“而耐久性則大不相同。我想到了兩個現(xiàn)實的示例：第一個例子，建筑和農(nóng)業(yè)領域的原始設備制造商（OEM）正在向電氣化轉型，但他們需要應對一些具有挑戰(zhàn)性的運行環(huán)境。Wolfspeed 與一家該領域的 OEM 廠商展開合作。他們深知其電動機械設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。就其實質而言，當春季和夏季來臨，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’。由于設備在移動土壤時必須承受巨大工作負荷，測試要求變得極其嚴格。對于電力電子設備制造商而言，這正是深入思考關鍵 MOSFET 可靠性及全溫度范圍內(nèi)電氣性能需求的契機。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。
“他們正在重新設計所運營數(shù)據(jù)中心的內(nèi)部布局，然后進行擴建；在某些情況下，必須考慮移動 UPS 的實際位置，以便為服務器機架騰出空間。我們都知道，數(shù)據(jù)中心的冷卻至關重要，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，因為他們知道，一些電源設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。當然，不同國家和地區(qū)的空氣質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準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創(chuàng)新的挑戰(zhàn)。而且，數(shù)據(jù)中心不僅要應對冷卻要求，在某些情況下還要創(chuàng)造性地考慮將 UPS 放置在哪些房間，因此這些設備必須能夠適應新的環(huán)境，這也使得耐久性變得更加關鍵。”
“幸運的是，碳化硅的固有特性確實使其在材料層面上比硅更耐用。然而，當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用時，我們開始收到客戶越來越多的相關問題或需求。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設施。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。“由于基礎設施的約束，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 快速充電轉換器，唯一的設計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現(xiàn)更高效的應用。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’。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)向新技術轉型的關鍵。對 Wolfspeed 而言，我們的目標是幫助客戶優(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成本；通過轉向新的架構和平臺縮短生產(chǎn)時間和設計周期；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系的其中一個方面。解決其設計挑戰(zhàn)的關鍵是，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轉變?yōu)楹喕膬呻娖焦β兽D換系統(tǒng)，不僅減少了柵極驅動數(shù)量，而且還降低了逆變器控制復雜性。此外，該解決方案還將系統(tǒng)設計從舊式的匯流排轉移到成本更低的 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)性能進行任何折中的情況下，將設計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，” 他補充道。
電力電子行業(yè)確實正在越來越多地轉向碳化硅等寬禁帶（WBG）器件，因為該行業(yè)致力于共同努力減少幾乎所有垂直領域（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 個單獨的部件編號，這些部件在外形尺寸、電壓節(jié)點和封裝選項上各不相同，但適合幾乎所有這些電力電子應用。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，并針對單獨應用進行專門產(chǎn)品優(yōu)化。
(來源：Wolfspeed)
