英飞凌科技

目前全球能源需求的三分之一左右是用电需求，能源需求的日益增长，化石燃料资源的日渐耗竭，以及气候变化等问题，要求我们去寻找更智慧、更高效的能源生产、传输、配送、储存和使用方式。在整个能源转换链中，第三代半导体技术的节能潜力可为实现长期的全球节能目标做出很大贡献。除此之外，宽禁带产品和解决方案有利于提高效率、提高功率密度、缩小尺寸、减轻重量、降低总成本，因此将在交通、新能源发电、储能、数据中心、智能楼宇、家电、个人电子设备等等极为广泛的应用场景中为能效提升做出贡献。

除高速之外，碳化硅还具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率等特点，尤其适合对高温、高功率、高压、高频以及抗辐射等恶劣条件要求较高的应用。

功率密度是器件技术价值的另一个重要方面。SiC MOSFET芯片面积比IGBT小很多，譬如100 A 1200 V的SiC MOSFET芯片大小大约是IGBT与续流二级管之和的五分之一。因此，在电机驱动应用中，SiC MOSFET的价值能够得到很好的体现，其中包括650 V SiC MOSFET。

在耐高压方面，1200 V以上高压的SiC高速器件，可以通过提高系统的开关频率来提高系统性能，提高系统功率密度。

正是由于SiC MOSFET这些出色的性能，其在光伏逆变器、UPS、ESS、电动汽车充电、燃料电池、电机驱动和电动汽车等领域都有相应的应用。然而，碳化硅是否会成为通吃一切应用的终极解决方案呢？

众所周知，硅基功率半导体的代表——IGBT技术，在进一步提升性能方面遇到了一些困难。开关损耗与导通饱和压降降低相互制约，降低损耗和提升效率的空间越来越小，于是业界开始希望SiC能够成为颠覆性的技术。但是，这样的看法不是很全面。首先，以英飞凌为代表的硅基IGBT的技术也在进步，伴随着封装技术的进步，IGBT器件的性能和功率密度越来越高。同时，针对不同的应用而开发的产品，可以做一些特别的优化处理，从而提高硅器件在系统中的表现，进而提高系统性能和性价比。因此，第三代半导体的发展进程，必然是与硅器件相伴而行，在技术发展的同时，还有针对不同应用的大规模商业化价值因素的考量，期望很快在所有应用场景中替代硅器件是不现实的。

1新能源汽车的机遇

在新能源汽车相关领域，续航里程和电池装机量是关键，SiC技术能够显著的提升续航里程，或者相同续航里程下，降低电池装机量和成本。因此，SiC正在越来越多地被采用，特别是在牵引主逆变器、车载充电机OBC以及高低压DC-DC转换器中。SiC为上述应用带来的技术优势。

牵引主逆变器：

·提升电池利用率超过5%;

·更高功率密度可减小系统尺寸;

·轻载情况下具有更低导通损耗;

·比硅基IGBT更低的开关损耗;

·对冷却要求较低，被动元件更少，进而降低系统成本。

车载充电机OBC及DCDC：

·更快的开关速度有助于减少被动元件，从而提升功率密度，或者实现更小的尺寸;

·CoolSiC™车规级MOSFET在高速开关的情况下具有业界最低的开关损耗;

·在PFC和DC-DC阶段，车载充电机的效率可提升1%，因而冷却要求更低;

·在图腾柱拓扑结构中支持双向充电。

这里需要强调的是，在未来数年中，不同的半导体技术将并存于市场中，在不同的应用场景中分别具有特殊的优势。在牵引逆变器中，基于不同的里程、效率和成本考量，SiC和硅基IGBT各有各的发挥空间。例如，SiC用于后轮主牵引驱动，可提升巡航里程;而硅基IGBT则用于前轮，以便优化成本。在极端情况下，例如车载充电机中，在同一架构下，会同时采用多达五种不同的半导体技术，包括IGBT，硅基二极管、硅基MOSFET，超结MOSFET 和SiC MOSFET。

2氮化镓和碳化硅应用目标

相较于传统的硅材料，以碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）为代表的第三代半导体材料，具有更大的禁带宽度、更高的临界场强，使得基于这两种材料制作的功率半导体具有耐高压、低导通电阻、寄生参数小等优异特性。碳化硅和氮化硅这两种宽禁带半导体材料之间也存在着诸多差异。

适用的电压等特性不同目标应用不同：碳化硅适用的电压范围为650 V-3.3 kV，是1200 V以上的高频器件，同时兼有功率密度高的特点，有着广泛的应用领域，比如太阳能逆变器、新能源汽车充电、轨道交通、燃料电池中的高速空气压缩机、DCDC和电动汽车电机驱动以及数字化趋势下的数据中心等等，这些都将成为碳化硅的应用市场。英飞凌在这些市场向超过3000个客户供应碳化硅产品。

相对于碳化硅，氮化镓适用的电压范围会低一些，从中压80 V到650 V。不过它具有快速开关频率的特性，氮化镓的开关频率可以达到MHz级，因此它适用于开关频率最高的中等功率应用，例如快充、数据中心等。

相对于友商，英飞凌的优势是同时拥有硅、氮化镓、碳化硅三种主要的功率半导体技术，在半导体设计、生产和各种应用领域积累了丰富的经验，这样可以完全做到以客户需求为导向，为其提供出色的产品和解决方案，从而满足客户独特的应用需求。

3氮化镓落地的技术挑战及英飞凌的解决方案

这两年硅基氮化镓开关器件的商用化进程，和五年前市场的普遍看法已经发生了很大的变化，其中有目共睹的是基于氮化镓件的高功率密度快充的快速成长。这说明影响新材料市场发展的，技术只是众多因素当中的一个。未来五年，我们比较看好的氮化镓的应用领域包括：消費类快充、服务器/通信电源，马达驱动，工业电源，音响，无线充电，激光雷达等，其中快充会继续引领氨化镓开关器件的市场成长。

作为功率开关器件的硅基氮化镓在商用化的进程中，除了性能和价格，最引起关注的话题是长期可靠性。目前氯化镓开关器件绝大多数都是在硅衬底上生长氮化镓，并以二维电子气作为沟道的GaN HEMT。从2010年IR发布的业界第一款硅基氮化镓开关器件到现在，整个业界对硅基氮化镓的研究可以说已经很深入了，但真正大规模的应还是在最近几年的事。相对而言，硅乃至碳化硅在市场上运行的时间要长得多，现存器件数量也大得多，因此氮化镓相对其他两种材料而言，可供分析的失效案例要少很多。这也是消费类的快充成为氮化镓快速成长引擎的其中一个原因。另外，因为硅基氨化镓超小的寄生参数，使其为用户带来极低开关损耗的优势之外，也大大提高了驱动此类器件的难度。