简介本文援用地点：本白皮书重点先容 Wolfspeed 专为高功率电子利用而计划的第 4 代碳化硅 (SiC) MOSFET 技巧。基于在碳化硅翻新范畴的传承，Wolfspeed 按期推出尖端技巧处理计划，从新界说行业基准。在第 4 代宣布之前，第 3 代碳化硅 MOSFET 凭仗多项主要计划因素的均衡，已在普遍用例中失掉验证，为硬开关利用的片面机能设定了基准。市场上的某些厂商只存眷特定品德因数 (FOM)，如导通消耗、室温下的 RDS(on) 或 RDS(on) × Qg，而 Wolfspeed 则采取了一种更为普遍且综合的方式。经由过程同时优化导通消耗、开关机能、稳固性跟牢靠性，Wolfspeed 的计划理念可确顾全方位的机能。第 4 代 MOSFET 连续了 这一计划理念，片面晋升了各项指标，在坚持 Wolfspeed 引认为傲的牢固耐用的同时，简化了体系计划，进步了易用性。第 4 代 MOSFET 重要面向高功率汽车、产业跟可再生动力体系，为碳化硅技巧带来了新的范式。此类器件为产物开辟的临时道路图供给了机动的基本，包含利用优化的裸芯片、模块跟分破式产物等。基于第 4 代技巧的每项计划都存眷三特性能向量：团体体系效力；出色的持久性；较低体系本钱。全部这些特征都旨在助力计划职员实现史无前例的机能跟代价。机能效力晋升导通消耗的主要性尽可能增加导通消耗，对电动汽车 (EV) 中的牵引逆变器、产业电机驱动器以及人工智能 (AI) 效劳器电源等要害利用至关主要。这些体系在宽负载范畴内运转，平日会在低功率程度下运转较长时光。增加导通消耗可进步全部负载范畴内的效力，从而延伸电动汽车的续航里程，进步 HVAC 体系的能效评级，节俭效劳器集群的冷却本钱（由于增加了散热需要）。别的，较低的导通消耗还可优化半导体资料的应用，进步给定利用的功率程度或下降其资料本钱，同时实现效力跟本钱的双重效益。硬开关利用在硬开关利用（如产业电机驱动器、AI 数据核心电源以及并网体系的有源前端 (AFE) 转换器）中，增加开关消耗至关主要。此类利用在差别负载下运转。它们偶然会在短时光内以十分高的功率运转，但在应用寿命的年夜局部时光里都处于较低的功率程度。从效力视角来看，最年夜限制增加导通消耗有助于进步全部负载范畴内的效力。比方，在电动汽车中，这象征着同样的电池可实现更长的行驶里程或续航时光。增加开关消耗有两年夜上风。起首，客户能够进步开关频率，从而实现更小、更轻、更具本钱效益的磁性元件跟电容器。其次，客户还可经由过程增加散热来优先晋升效力，并经由过程应用更小的散热器或更低的冷却需要来下降体系级本钱。以上上风并不彼此排挤，客户能够依据其特定需要机动地优化计划。在图 1 所示的 3 级直流疾速充电机中，AFE 将转换器衔接到电网。它将电网电压转换为稳固的直流链路电压，用于给电池充电。与体积更年夜、效力较低的 IGBT 比拟，碳化硅分破器件跟功率模块可增加消耗并进步效力，由于它们可能在更高的频率跟温度下任务，同时增加了散热需要。图1 3级直流疾速充电机的简图第3代MOSFET与第4代MOSFET机能对照在全部电力电子利用中，无论是硬开关仍是软开关，最年夜限制增加导通消耗都很主要。导通消耗重要取决于功率 MOSFET 的导通电阻(RDS(on))，而该导通电阻则与利用所需的电流程度跟由此发生的结温有关。在满额外负载电流下，MOSFET 的任务温度平日濒临其最高额外任务温度（或因计划裕度而略低）。MOSFET 的型号抉择跟终极的体系半导体 BOM 本钱由该低温 RDS(on) 决议。Wolfspeed 第 4 代 MOSFET 在低温下的导通电阻可下降高达 21%，而在较高温度下，该电阻下降幅度更年夜。在电流程度跟结温较低的轻负载下，RDS(on) 随温度的下降直接进步了体系效力，并延伸了任务寿命。为了阐明第 4 代 MOSFET 在开关消耗跟易用性方面的改良，招考虑半桥开关变乱的波形。在第 3 代器件所存在的杰出机能跟牢靠性基本上，Wolfspeed 第 4 代 MOSFET 经由过程改良进步了开关速率并增加了电压过冲，这得益于体二极管机能的晋升跟计划的优化。第 4 代器件的这些改良树立在第 3 代的强盛基本之上，确保了在产物组合过渡时期，即使是在请求严苛的利用中，也能坚持一向的出色表示。图 2 跟图 3 表现了 1200 V 第 4 代器件与第 3 代等效器件在静态开关机能方面的对照。调剂栅极电阻值，以便在导通时期供给婚配的 di/dt，在关断时期供给婚配的 dv/dt。第 4 代器件可能实现更快的开关速率，这里仅展现了一种比拟器件机能的守旧方式。在导经由过程程中，另一个 MOSFET 的体二极管会换向关断，招致反向规复电流畅过体二极管流入正在导通的 MOSFET。改良的第 4 代体二极管行动在导通电流波形中表示得十分显明，其电流规复速率更快，从而明显下降了开明消耗。别的，第 4 代器件的软体二极管机能招致开关举措时的振铃增加，可下降体系噪声并进步 EMI 机能。两代器件的关断表示类似，可实现低消耗跟低 EMI。图2 第3代跟第4代MOSFET的导通波形对照图3 第3代跟第4代MOSFET的关断波形对照改良的体二极管机能以及由此晋升的开明机能可年夜幅下降第 4 代器件的开关消耗。在很多情形下，开关消耗的下降幅度乃至更年夜，由于第 4 代器件可在更高的 di/dt 程度下任务，同时在反向规复进程中不会超越 VDS 保险任务区。在雷同前提下任务时，第 4 代器件的反向规复进程更为陡峭，从而下降了 di/dt 并明显增加了电压过冲（约 900 V，降幅达 75%）。这种改良使得器件在 1,200 V 的额外电压下领有 300 V 的裕量，从而进步了保险系数跟持重性。客户可经由过程现有封装实现更快的开关速率，或许经由过程高等封装处理计划（如 Wolfspeed 的定制功率模块）来取得更高机能。图 4 表现了 Wolfspeed 第 3 代 21 mΩ MOSFET 与第 4 代 25 mΩ 器件之间的消耗。当婚配开明 di/dt 跟关断 dV/dt 时，在额外电流下可实现 27% 的 ESW 下降。某些第 4 代 MOSFET 可经由过程采取更低的 Rg 值来进一步改良开关消耗。图4 第3代跟第4代的开关消耗对照第 4 代技巧进步了硬开关利用的机能，使得 EON 跟 EOFF 的降幅高达 15%，同时也增加了软开关跟硬开关利用中的导通消耗，使任务温度下的 RSP 下降高达 21%（在 175 °C 下的 RDS(on) 表示优良）。增加EMI计划挑衅从图 2 的对照中能够看出，第 4 代 MOSFET 的另一个上风在于增加了反向规复后的振荡跟振铃。与第 3 代比拟，第 4 代 MOSFET 的波形更为腻滑，最年夜限制地增加了共模电压跟辐射发射，简化了电磁烦扰 (EMI) 滤波器计划。下降波形噪声可简化须要高速开关的体系的开辟，同时应答 EMI 挑衅。对从第 3 代向回升级的客户，第 4 代供给了一条便捷的进级门路，在波形行动跟体系计划机动性方面都有明显晋升。专为应答严苛的情况而计划宇宙射线牢靠性高海拔利用（如在山区行驶的电动汽车或飞机）会见临由宇宙射线激发的单粒子销毁危险。这些变乱由中子通量（每单元时光撞击半导体的中子数）惹起，可发生漏源电流 (IDS)，进而可能激发不良成果。第 4 代 MOSFET 采取加强的抗扰度计划，与前多少代比拟，宇宙射线生效率 (FIT) 可下降 100 倍。这种牢靠性晋升增加了对适度电压降额的需要，使得体系计划愈加高效。别的，它们还可能蒙受过载跟过应力变乱。Wolfspeed 芯片产物组合经由认证，可在 185 °C 下连续运转，并能在 200 °C 下停止无限寿命的运转。短路耐受时光短路耐受时光是电机驱动器跟牵引体系的要害参数，可确保在产生毛病时保险封闭。第 4 代技巧支撑高达 2.3 微秒的耐受时光，可与现有的栅极驱动器技巧兼容，且不会影响 RDS(on) 机能。第 4 代 MOSFET 兼具持重性跟效力，是请求严苛利用之幻想抉择。这些特征扩大了保险任务区 (SOA)，可确保持重的机能。计划职员在计划时能增加半导体应用，从而下降本钱，同时不影响保险性。高频率软开关利用软开关利用（如用于车载充电机跟产业电源第二阶段的超高频 DC-DC 转换器）的计划与硬开关前端有所差别。开关消耗在此类利用中被最年夜限制地增加乃至打消，因而导通消耗成为重要的残余消耗。平日，前端有一个硬开关的有源功率因数校订 (PFC) 阶段，之后是一个软开关的 DC-DC 转换器阶段。该转换器阶段平日采取 LLC、CLLC、移相全桥或双有源桥等拓扑构造。在此类计划中，开关消耗不太主要，只管组件仍需蒙受高 di/dt 跟 dv/dt 应力，并处置高谐振电路电流。软开关利用的重要上风在于增加因 RSP 改良而下降的导通消耗。这种导通消耗的下降实用于全部负载曲线，对有能效请求（如动力之星 Energy Star 尺度）的利用尤其有利。此中很多电源必需合乎请求在差别负载程度下实现高效力的法例，比方，满意效劳器电源的 80 Plus 钛金级能效程度。体系本钱跟开辟时光上风Wolfspeed 的第 4 代碳化硅 MOSFET 在下降体系本钱跟放慢开辟时光方面存在明显上风。经由过程晋升导通跟开关频率，这些器件使工程师可能计划出存在更小、更轻、更廉价组件的体系，如散热器、EMI 滤波器跟磁性元件。得益于杰出的 RSP 机能，在雷同面积内可实现高达 30% 的功率输出，从而在不增添额定空间的情形下晋升功率密度。加强的持重性跟牢靠性，包含下降对宇宙射线等情况要素的敏理性，使计划职员可能应用更小的保险裕度，从而进一步最年夜水平增加所需的半导体资料。别的，第 4 代 MOSFET 的即插即用式兼容性让现有效户可能轻松进级，增加了从新计划的任务量。如图 5 所示，第 4 代器件的体二极管软度因子进步了 3.5 倍：MOSFET 在反向规复场景中可无效将 EMI 降至最低，实现了更安稳的运转，而无需对 QRR 衡量弃取。即便在高 dv/dt 下，开关操纵也能既保险又简练，这得益于高达 600:1 的电容比，它打消了寄生过冲的危险，并确保了在刻薄前提下的牢靠体系机能。全部这些改良相联合，使开辟职员可能在更短的计划时光内实现优化的体系机能，同时满意严厉的效力跟牢靠性请求。图5 体二极管反向规复瞬态的技巧对照优化功率封装以充足施展第4代技巧的上风Wolfspeed 一直存眷客户需要，努力于经由过程封装战略实现体系持久性、效力跟功率密度。进步的封装进一步晋升了第 4 代技巧的上风，加强了热治理，并确保了器件在功率跟温度轮回等严苛前提下的持久性。可明显晋升效力跟功率密度的进步封装碳化硅器件以其高开关速率跟热机能冲破了传统硅基功率封装的极限。传统计划平日遭到寄生电感的影响，从而招致电压过冲、振荡跟栅极氧化层破坏。这些成绩不只会影响效力，还须要高本钱的计划衡量。专为碳化硅量身定制的进步封装技巧可最年夜限制地增加功率、栅极跟共源回路中的寄生电感，从而进步效力，下降开关消耗，并支撑应用额外值更低的碳化硅器件。双面冷却跟紧凑规划等功效支撑高功率利用、热把持跟更高的开关频率，从而充足施展碳化硅在牢靠且节能体系中的潜力。最年夜限制地增加功率模块中的电感能够增加电压振荡，实现简练的开关操纵跟更高的效力。外部母线跟夹子附件等翻新技巧将电感下降至 5 纳亨的程度，进一步下降了开关消耗并晋升了体系稳固性。可进步体系牢靠性跟持久性的进步封装翻新的互连方式对晋升功率模块机能至关主要。传统的引线键合封装技巧被顶部夹式互连等进步技巧所代替，新技巧可下降电阻、改良热治理并加强机器牢靠性。铜夹直接焊接或烧结到芯片上，可改良功率流跟衔接强度。银烧结是一种开始进的芯片粘接技巧，可在芯片跟氮化硅等基板之间构成坚固的衔接，确保杰出的导热性跟机器持久性。这种方式越来越多地用于须要高功率跟热轮回机能的利用中。跟着功率密度的增添，无效的热治理至关主要。直接冷却处理计划，如翅片浸没在冷却剂中的 pin-fin 计划（见图 4），可无效辅助芯片散热。这些方式使碳化硅器件可能在低温下坚持高机能，尤其是在汽车体系中。牢靠性对汽车功率模块至关主要，这些模块必需满意 AEC-Q101 跟 AQG324 等严厉尺度。进步的资料跟工艺可处理水分浸透跟引线键合退化等毛病机制。比方，环氧树脂模塑化合物正在代替凝胶基封装资料，供给优良的防潮性跟构造完全性。加强型压接式引脚技巧支撑更高的 PCB 衔接电流容量，实用于紧凑型跟高功率计划。图6 Wolfspeed的YM跟XM模块平台采取pin-fin封装技巧要害要点跟论断新推出的第 4 代碳化硅技巧在导通消耗、开关机能跟持久性获得了均衡，标记着电力电子范畴向前迈出了主要一步。与其余专一于室温下的 RDS(on) 等无限指标的厂商差别，Wolfspeed 优先斟酌在现实任务前提下实现最年夜的电路内代价。新平台将为体系优化功率模块、分破器件跟裸芯片产物的临时开展奠基基本，并将惠及电动汽车、产业电机驱动器、AI 效劳器电源、可再生动力体系跟航空电子装备等行业。在电动汽车中，较低的导通消耗可延伸电池续航里程，而在产业电机驱动器中，更高的效力可下降动力耗费跟冷却本钱。在电机驱动器跟电网电源转换器等硬开关利用中，改良的开关特征晋升了开关频率或效力，从而减小了体系尺寸跟本钱。较低的开关消耗也简化了热治理，且支撑紧凑计划。加强的反向规复下降了 EMI，简化了滤波器计划跟分歧性测试，同时还可应答宇宙射线惹起的单粒子销毁等牢靠性挑衅。第 4 代 MOSFET 存在 2 微秒的短路耐受时光，可确保毛病时期的保险运转，并与现有栅极驱动器技巧兼容。在高频率 DC-DC 转换器等软开关利用中，增加导通消耗可进步合乎 80 Plus 钛金级尺度的体系（如 AI效劳器电源）的效力。可再生动力体系受益于更高的效力跟机动的热治理，可增加保护任务并加强牢靠性。航空电子装备跟eVTOL飞机等新兴利用非常依附 MOSFET 的紧凑性、效力跟强盛的牢靠性。第 4 代器件专为机动集成而计划，计划职员可能依据差别的市场需要优化机能或牢靠性，同时确保杰出的成果。从计划之初，第 4 代就定位于进步的 200 mm技巧。Wolfspeed 树立了寰球首个也是范围最年夜的 200 mm 碳化硅制作工场。凭仗技巧进步的晶圆制作工场，Wolfspeed 站在全行业从硅基向碳化硅基半导体转型的前沿，无望明显晋升下一代技巧的能效跟机能。