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蓄力加速跑,蓉矽半导体 NovuSiC® MOSFET正式发布 !
[ 来源:蓉矽半导体  时间:2022-09-28  阅读:288次 ]

9月27日,成都蓉矽半导体有限公司(下称“蓉矽半导体”)举行线上新品发布会,发布了第一代碳化硅NovuSiC® MOSFET G1,预告了第二代G2量产日程。蓉矽半导体副总经理高巍博士聚焦产品性能作了“厚积薄发、创新不止”主题报告,详细介绍了碳化硅MOSFET的开发历程、设计理念和独特优势,应用工程师王德强则围绕产品应用展示了应用领域、应用场景和解决方案,体现了蓉矽半导体自主研发的实力和逐鹿车载芯片市场的决心。

蓉矽半导体,致力闯出一条新路的新锐企业

20世纪50年代,世界半导体产业起步;70年代末以来,平面型、沟槽型功率MOSFET和IGBT相继面世。随着社会电气化水平的不断提高,功率MOSFET经历了工艺进步、技术提升和材料迭代的演进过程。而碳化硅在材料制备上的重大突破极大推动了碳化硅器件的商业化进程。

碳化硅作为第三代半导体材料,具有较宽的禁带宽度、高击穿电场强度、高热传导率和高电子饱和速率的优异物理性能,使得SiC功率半导体器件具备了耐高压、耐高温、开关速度快、损耗低等显著优势,可有效缩小电路板空间、降低系统成本、减少能源损耗,实现功率密度和系统效率等性能的大幅提升。对国内市场而言,SiC MOSFET因其技术、工艺复杂性高,主要依赖进口,加之新能源汽车、工控电源、光伏逆变等对新技术的应用及需求迅速增加,国产化空间十分广阔。

蓉矽半导体成立于2019年12月,是致力于宽禁带半导体碳化硅功率器件设计与开发的新锐企业。历经900多天的研发、打磨,深耕细作、厚积薄发,继2022年6月底,发布其自主开发碳化硅NovuSiC® EJBS™二极管系列产品之后,于本次发布会推出NovuSiC® 1200V/75mΩ MOSFET G1产品。

NovuSiC® 1200V/75mΩ MOSFET,兼具高性价比与高可靠性的SiC产品

NovuSiC® 1200V/75mΩ MOSFET在大幅度降低静态损耗的同时减小动态损耗,可以提高系统整体功率密度,降低系统总成本,在新能源汽车、直流充电桩、光伏系统等领域表现亮眼。

蓉矽半导体在SiC MOSFET开发过程中,从应用场景出发,坚持电学性能、鲁棒性与可靠性各项均衡、优化的理念。即兼顾比导通电阻和栅氧化层电场的同时,通过采用更低栅压驱动,优化栅氧工艺、栅氧化层电场强度,降低结终端的曲率效应等举措来提高器件的鲁棒性和长期可靠性。

在电学性能与鲁棒性方面,NovuSiC® 1200V/75mΩ MOSFET在 VGS=16V时,可实现75mΩ的导通电阻;VGS=18V时,比导通电阻为4.17,在国内市场中位居前列。1200V耐压时,JFET区栅氧化层电场强度远小于常规4.0MV/cm的限制,在VDD=800V条件下,短路耐受时间>3μs。NovuSiC® 1200V/75mΩ MOSFET在提高沟道密度的同时降低了JFET区的有效面积,并透过降低Cgd对动态特性进行了优化;栅极电荷与国际竞品近似,优值高于业界平均水平,且从G2开始(1Q’23)将会达到现今国际最先进技术标准。体现了蓉矽半导体对创新和品质的极致追求。

表1. NovuSiC® 1200V/75mΩ MOSFET G1关键参数

图1:蓉矽半导体NovuSiC ® 1200V/75mΩ MOSFET导通特性

图2:蓉矽半导体NovuSiC ® 1200V/75mΩ MOSFET短路鲁棒性

图3:不同厂商栅电荷和优值对比

可靠性方面,针对FN隧穿、陷阱辅助隧穿以及外部缺陷造成的栅氧化层退化、失效等风险,蓉矽半导体提出“控制栅氧化层电场、提高栅氧化层质量/筛除栅氧化层缺陷”策略对其进行针对性优化,进一步提高了栅氧化层可靠性。

一、平面SiC MOSFET中,栅氧化层高电场主要集中在沟道位置与JEFT区栅氧中心位置。

1)针对沟道位置处电场:通过采用更低的工作栅压,保障栅氧化层的长期可靠性;

2) 针对JEFT区栅氧中心:设计之初就将额定阻断电压1200V时的栅氧化层电场强度限制在较低水平,远低于常规4.0MV/cm的限制,以削弱其电场强度。

二、晶圆测试阶段引入WLTBI(Wafer-Level Test & Burn-In)以筛除栅氧化层于产品生命周期中的潜在退化/失效。

图4:蓉矽半导体的可靠性保障策略

高巍博士除了对蓉矽半导体的第一代NovuSiC® 1200V/75mΩ MOSFET G1进行了详细介绍外,还预告了G2产品的开发进度及其性能优势。

NovuSiC® MOSFET G2基于更先进的工艺制程与更优异的设计,大幅提升动静态性能。其中,比导通电阻Ron,sp可降低24%,栅电荷Qg下降25%,具有高效率、高开关频率、高功率密度的性能优势。

表2. NovuSiC® MOSFET G2关键参数

满足新能源汽车应用需求,推动我国汽车电动化转型发展

在新能源汽车、充电桩、电驱控制等领域,碳化硅功率器件可提升整车效率,增加续航里程,是应用的主流趋势。加之中国拥有全球最大的市场规模,行业需求旺盛。蓉矽半导体根据不同的应用场景推出了高性价比的NovuSiC®系列产品和高可靠性的DuraSiC®系列产品,其中DuraSiC®系列产品主要应用于OBC和车载DC-DC中。

图5:OBC 800V电池平台系统

当前,随着快充和双向充放电需求的持续增长,OBC输入电压提升至380VAC、电池电压提升至800V,采用1200V碳化硅器件可简化系统拓扑,满足高压应用需求。主拓扑主要采用全碳化硅MOSFET的三相全桥PFC和双向谐振DC-DC拓扑,以实现双向充放电功能,功率提升至11kW以上,可降低损耗50%以上并同时减小磁性器件体积70%以上,提升峰值效率达97%以上。

在直流充电桩领域,高压化、智能化、多元化发展趋势明显。在直流充电模块主拓扑方面,蓉矽NovuSiC®方案有着DC-DC系统简单、控制方便、开关损耗低、效率提升明显等诸多优势,可释放更多控制资源。

在10kW光伏逆变器应用中,相较硅基IGBT方案,采用蓉矽碳化硅NovuSiC®方案后,可实现20kHz开关频率下,降低总损耗50%,提升效率2%;或在总损耗相同的情况下,将开关频率提升1倍,减小系统体积60%以上。

为了方便客户在产品开发前期评估方案可行性,蓉矽半导体特别开发出了“EVAL-MAIN”评估板,以提供给客户进行单双脉冲测试,评估开关管动态性能。

图6:蓉矽SiC MOSFET驱动评估板实物图

该评估板由母板和灵活驱动子板组成,有电容隔离技术和磁隔离技术两种方案,此评估板适用于TO247-3和TO247-4封装的碳化硅MOSFET,可兼容多款驱动芯片进行测试评估。

表3:驱动评估板主要参数

写在最后

自成立以来,蓉矽半导体就踏实地走好、走稳了每一步,产品开发的每一环节都求实、较真,满足客户需求,为客户创造价值。未来,蓉矽将“厚积薄发,创新不止”,朝着成为中国领先的功率半导体研发和制造基地的目标加速前进,以科技创新助力国家“双碳”进程。

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