SiC 碳化硅快充市场的应用机遇和设计挑战

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SiC 碳化硅快充市场的应用机遇和设计挑战 [复制链接]

随着特斯拉首先在 Model 3 的主牵引电驱中采用了碳化硅 (Silicon Carbide, SiC) MOSFET芯片后，世人对碳化硅的热烈讨论就不曾停歇，也加速了碳化硅 MOS管在充电桩与新能源车中的采用以提升充电速度与续航里程

 

 

FSS 的PQFN5x6 SiC MOSFET应用于65W PD快充

 

氮化镓 (GaN) 近年来以其高效率的优势在小型化、高密度的快充得到广泛的注目，为第三代半导体在消费级市场的应用吹起了号角，同样作为第三代半导体的碳化硅MOSFET，却不曾出现在消费级电子产品中，究其原因，其理由有三：

 

一、 碳化硅晶圆的成本高昂；

二、 典型驱动电压较传统硅器件高，与主流PWM IC方案兼容性不佳，一般工控使用SiC MOSFET通常需要额外的闸极驱动IC；

三、 部分碳化硅器件在高速切换时有较严重的EMI问题。

 

若要将SiC MOSFET应用至消费级市场中，首先要解决以上三个痛点。FSS推出的Falcon系列SiC MOSFET，首先配合现有PWM IC常见的闸极驱动电压进行了改进与设计，将闸极驱动电压Vgs(on) 降至业界极低水平的12V，使得碳化硅 MOS 可以用主流PWM IC进行直驱，而不需要额外使用闸极驱动器。

 

同时，FSS的SiC MOS管可使用与硅基方案几乎相同的闸极驱动方案推动，大幅简化了使用者设计开发的难度以及时间。并且FSS独特的Silent-Switch技术拥有极佳的EMI表现，使得SiC的EMI表现甚至优于许多的硅超结MOS管 (Si Super-Junction MOSFET) 方案。

 

在成本方面，FSS在产品设计及制造成本上进行了彻底地优化，使SiC MOS管的售价不会再如以往这么遥不可及。例如同样做65W PD快充方案，客户花在器件上的成本SiC MOS跟GaN器件相差不大，因为调试、驱动、EMI处理相对简单，所以整体BOM还有可能进一步降低。

 

FSS展示了其目前正在开发中的一款使用了碳化硅MOS管搭配有源钳位反激(ACF)控制器的65W PD充电头方案原型机，功率密度可达到41.5W/in³（折合2.5W/cm³）。

 

 

 

使用FSS SiC MOSFET搭配ACF，功率密度41.5W/in³的65W充电头方案和苹果5V/1A充电头的比较

 

在功率器件上，比起第一代半导体而言，第三代半导体的性能优越性显而易见，与现在市场上已非常火热的GaN方案相比，SiC有什么特殊的优势呢？

 

SiC MOSFET 因长期被使用在高温、高稳定度需求的军规、航天、电动车等应用中，FSS的SiC MOS管也依照同样的标准进行设计，其额定结温高达175℃，同样芯片尺寸下的雪崩耐量是硅超结MOS管的20倍，氮化镓的1000倍，且所有器件均经过100% UIS测试，信赖性测试依照车规 AEC-Q101的规范进行验证。

 

具备高可靠度、优秀的高温特性、抗干扰能力强、EMI表现良好、设计简单、需求更少的外部器件更少等优势，与原有硅基方案的兼容性优于GaN，在制作高质量、高可靠度电源、简化热管理以及加速设计流程的部分能提供更多价值给客户。