SiC在大功率充电桩的应用，三个不同功率参考设计(2)

xiaocheng

今天续上篇，聊聊SiC及SiC在大功率充电桩应用的优势，以及基于SiC的25KW/30KW/50KW的参考设计，国产SiC厂商的情况；小二水平有限，欢迎大家补充；

目录：

什么是SiC

SiC的优势及芯片

25KW/30KW/50KW充电桩模块参考设计

国内SiC功率器件公司

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什么是碳化硅(SiC)

三代半导体，相信你肯定听过，这里的代，是基于使用的半导体材料不同划分，不像2G/3G/4G通信有新一代取代旧一代的情况；

第一代半导体，以硅(Si)，锗(Ge)材料为代表，是目前逻辑器件的基础，这几年的通信领域的硅光芯片，也是基于硅；

第二代半导体，以砷化镓(GaAs)，磷化铟(InP）为代表，小二不是很清楚；

第三代半导体，则是以碳化硅(SiC），氮化镓(GaN)为代表的宽禁带半导体材料，在功率芯片上具有独特优势，近年得到广泛的应用；

这里，顺带也解释下，类似Si，SiC的材料，具体是如何形成芯片的；

大家应该经常听到晶圆，也应该听过硅晶圆是拉出来的，包括Si，SiC其实就是组成晶圆的材料；



而晶圆到芯片，就像水泥到房子，是物理和化学反应的生产过程；

以下图MOSFET管子为例



图中黄色部分就是SiC材料，在这个材料上，通过挖坑(掩模，腐蚀)，填坑(离子注入等)的方式，在不同的SiC材料上添加不同的离子成分，形成G-D-S不同的极，最后通过封装工艺，形成最后的芯片；

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SiC的优势及芯片

下表是不同半导体材料的特性：可以看到



Energy Gap，禁带宽度反应的是价电子要成为自由电子所需要的能力，SiC是Si的接近3倍，禁带宽度越宽，耐受高温和高压能力越强，反向漏电流越小，抗辐射能力越强；

Breakdown Field，绝缘击穿场强，SiC是Si的10倍，SiC能够以低阻抗、薄厚度的漂移层实现更高耐压；

Thermal Conductivity，导热率，SiC是Si的3倍，热阻更小，热扩散能力更好，可以做到更高功率密度；

Saturation Drif Velocity，饱和漂移速率，值越高，开关速度更快

综上，基于SiC材料的器件，可以实现 "高耐压"、"低导通电阻"、"高频" 三个特性。

目前，基于SiC的功率器件主要两大类：SiC-MOSFET和SiC-SBD

第一类：SiC-MOSFET

基于Si的器件，耐压越高，单位面积的导通电阻也越大（以耐压值的约2~2.5次方的比例增加），因此600V以上的电压中主要采用IGBT（绝缘栅极双极型晶体管）。
IGBT通过电导率调制，向漂移层内注入作为少数载流子的空穴，因此导通电阻比MOSFET还要小，但是同时由于少数载流子的积聚，在关断时会产生尾电流，从而造成极大的开关损耗。
SiC器件漂移层的阻抗比Si器件低，不需要进行电导率调制就能够以MOSFET实现高耐压和低阻抗，而MOSFET原理上不产生尾电流，所以用SiC-MOSFET替代IGBT时，能够明显地减少开关损耗，并且实现散热部件的小型化。
另外，SiC-MOSFET能够在远高于IGBT的开关频率下工作，从而也可以实现无源器件的小型化。

第二类：SiC-SBD

基于Si的快速PN结二极管（FRD:快速恢复二极管）在从正向切换到反向的瞬间会产生极大的瞬态电流，在此期间转移为反向偏压状态，从而产生很大的损耗。
这是因为Si-FRD正向通电时积聚在漂移层内的少数载流子不断地进行电传导直到消亡（该时间也称为积聚时间）。
正向电流越大，或者温度越高，恢复时间和恢复电流就越大，从而损耗也越大。
与此相反，SiC-SBD是不使用少数载流子进行电传导的多数载流子器件（单极性器件），因此原理上不会发生少数载流子积聚的现象。
由于SiC-SBD只产生使结电容放电程度的小电流，所以与Si-FRD相比，能够明显地减少损耗。而且，该瞬态电流基本上不随温度和正向电流而变化，所以不管何种环境下，都能够稳定地实现快速恢复。

如下是实际使用硅(Si) IGBT及碳化硅(SiC) MOSFET的功耗损失对比



图片来自罗姆官网

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25KW/30KW/50KW充电模块参考设计

如下是Onsemi推出的基于SiC的25KW 充电模块参考设计



Onsemi的设计采用了

- 三相六开关的PFC，开关频率在150kHz

- 双有源全桥DCDC，开关频率在100kHz

控制芯片采用了Zynq-7000 SoC FPGA，前后级各一颗；

SiC模块，驱动，采样及辅助电源芯片如下：



如下是Onsemi微信公众号的全中文版本的设计系列，“基于SiC的25KW快速直流充电桩系统设计”

从应用概述到方案概述，仿真，设计等一条龙；

https://mp.weixin.qq.com/mp/appmsgalbum?action=getalbum&__biz=MzI5MjM3MzU3NA==&scene=1&album_id=2759840207167864833&count=3#wechat_redirect

这是WolfSpeed的三相交错LLC DC-DC变换器，30KW功率，设计采用了1200V C3M SiC MOSFETs (C3M0040120K) and 650V C6D SiC Schottky Diodes (C6D20065D and C6D10065A)



此外：

SiC MOSFET驱动芯片：采用了TI的UCC5350MC

DSP芯片：采用了TI的TMS320F28377DPTPT

开关频率：130kHz-250kHz

设计资料可以从这个链接获取：

CRD30DD12N-K 30kW Discrete Interleaved LLC DC-DC Converter | Wolfspeed

这是Infineon的50KW充电模块拓扑，SiC器件及开关频率信息

PFC采用了三相Boost PFC维也纳架构，DCDC采用了全桥LLC谐振转换器



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国内SiC功率器件厂家介绍

先做个声明，这里介绍的公司，不是对其产品的推荐，而是从网络及平常交流获取的相关信息分享

瞻芯电子，拿到了小鹏汽车的战略融资，自建了符合IATF16949的6寸SiC晶圆厂，目前已经发布的产品有SiC MOSFET，SiC SBD，SiC Module，Gate Driver，Controller；

这家公司在PCIM的文章分享还是令人深刻；



派恩杰半导体，成立于2018年的派恩杰半导体，从成立之初就聚焦于碳化硅MOSFET，紧锣密鼓布局车规级半导体芯片，并已顺利“上车”，产品已应用于汽车OBC等领域，其和X-FAB晶圆代工厂战略合作；

如下是其产品发布轴



数明半导体，成立于2013年，专注于工业、汽车、能源领域的驱动芯片、电源管理及智能光伏芯片、接口与信号链芯片的研发。其研发出国内首款兼容光耦带DESAT保护功能的IGBT/SiC隔离驱动器；

华润微电子，是华润微电子有限公司是华润集团旗下负责微电子业务投资、发展和经营管理的高科技企业，曾先后整合华科电子、中国华晶、上华科技、中航微电子等中国半导体企业，经过多年的发展及一系列整合，公司已成为中国本土具有重要影响力的综合性半导体企业，自2004年起多年被工信部评为中国电子信息百强企业。

目前华润微发布了650V/1200V的SiC SBD



湖南三安，是全球第三家具备碳化硅全链整合能力的企业，提供衬底、外延、芯片、封装及模块等专业代工制造服务，具备成熟的大规模制造经验和质量管理能力，实现产能以及质量验证的全链管控能力。目前已实现月产能12,000片，达产后将实现年产能500,000片碳化硅6寸晶圆

湖南三安发布了最新的1200V碳化硅MOSFET系列，包含1200V 80mΩ/20 mΩ/16mΩ，均来自湖南三安自主可靠的六寸全链整合平台。系列产品在比导通电阻特性，击穿电压特性和阈值电压稳定性上，测试显示出对比友商更为优越的结果，能有效提高电驱动系统的效率和可靠性，在后续导入客户的过程中具备显著的优势。