碳化硅（SiC）是碳和硅的化合物，碳化硅單晶材料目前采用物理氣相輸運(yùn)（PVT）法，在超過2000℃的高溫下，將碳粉和硅粉通過高溫分解成原子，通過溫度控制沉積在碳化硅籽晶上形成碳化硅晶體。
碳化硅是第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料，與硅（Si）相比，碳化硅的介電擊穿強(qiáng)度更大、飽和電子漂移速度更快且熱導(dǎo)率更高。因此，當(dāng)用于半導(dǎo)體器件中時(shí)，碳化硅器件擁有高耐壓、高速開關(guān)、低導(dǎo)通電阻、高效率等特性，有助于降低能耗和縮小系統(tǒng)尺寸。
目前碳化硅在電動(dòng)汽車、逆變器、軌道交通、太陽能和風(fēng)力發(fā)電上廣泛應(yīng)用。隨著USB PD快充技術(shù)的普及和氮化鎵技術(shù)的成熟，大功率快充電源市場逐漸興起，碳化硅二極管也開始在消費(fèi)類電源市場中嶄露頭角，被部分100W大功率氮化鎵快充產(chǎn)品選用。
在大功率快充電源產(chǎn)品中，碳化硅二極管搭配氮化鎵功率器件，可以將PFC級(jí)的工作頻率從不足100KHz提升到300KHz，由此減小升壓電感體積，實(shí)現(xiàn)高功率密度的設(shè)計(jì)，同時(shí)產(chǎn)品的效率也達(dá)到了大幅提升，成為大功率電源產(chǎn)品的核心競爭力。因此，碳化硅在消費(fèi)類電源領(lǐng)域的關(guān)注度越來越高。
今天這篇文章將圍繞碳化硅在USB PD快充電源中的應(yīng)用展開分享。
一、PFC電路在安規(guī)中的重要性
開關(guān)電源中，由于整流后采用大容量的濾波電容，呈現(xiàn)容性負(fù)載，而在電容充放電時(shí)會(huì)使電網(wǎng)中產(chǎn)生大量高次諧波，產(chǎn)生污染和干擾，人們開始在開關(guān)電源中引入PFC電路，功率在75W以上的開關(guān)電源強(qiáng)制要求加入PFC電路以提高功率因數(shù)，修正負(fù)載特性。
PFC分為被動(dòng)式和主動(dòng)式兩種。被動(dòng)式采用大電感串聯(lián)補(bǔ)償，主要缺點(diǎn)是體積大，且效率低。隨著近年來半導(dǎo)體器件迅猛發(fā)展，被動(dòng)式PFC被主動(dòng)式PFC全面取代。主動(dòng)式PFC采用PFC控制器、開關(guān)管、電感和二極管組成升壓電路，具有體積小，輸入電壓范圍寬，功率因數(shù)補(bǔ)償效果好的優(yōu)點(diǎn)。
主動(dòng)式PFC通過控制器驅(qū)動(dòng)開關(guān)管升壓、二極管整流為主電容充電，根據(jù)電壓電流之間的相位差進(jìn)行功率因素補(bǔ)償。
二、碳化硅應(yīng)用于PFC電路優(yōu)勢
隨著業(yè)界對(duì)電源功率密度的追求，以及氮化鎵功率器件的普及，主動(dòng)式PFC需要提高工作頻率來減小磁芯體積，此時(shí)常規(guī)快恢復(fù)二極管的性能已經(jīng)不能滿足高頻下整流需求，這為碳化硅二極管在PFC上的應(yīng)用創(chuàng)造有利條件。
安森美基于Si的超高速二極管。
Alpha Power基于碳化硅的二極管。
SiC二極管相對(duì)于Si二極管有如下的優(yōu)點(diǎn)：
沒有反向恢復(fù)電流，反向恢復(fù)時(shí)間極短，應(yīng)用中沒有反向恢復(fù)尖峰，在CCM模式下具有很強(qiáng)的優(yōu)勢，硅二極管反向恢復(fù)電流的峰值相當(dāng)可觀，有的甚至?xí)?shù)倍于正向電流，這不但會(huì)增加二極管的損耗，也會(huì)引起較大的EMT（電磁干擾）。
當(dāng)頻率升高時(shí)，關(guān)斷和導(dǎo)通頻繁，損耗就更加嚴(yán)重，如果二極管反向恢復(fù)時(shí)間過長，而頻率過高的話，反向恢復(fù)階段還沒結(jié)束，下一個(gè)脈沖又到來，則二極管在正、反向都可導(dǎo)通，失去了二極管最基本的特性，起不到開關(guān)作用。二極管完全無法工作。
所以二極管反向恢復(fù)電流和恢復(fù)時(shí)間的存在會(huì)限制開關(guān)電源的開關(guān)頻率，無法進(jìn)一步小型化。高頻整流電路中要選擇反向恢復(fù)電流較小、反向恢復(fù)時(shí)間較小的整流二極管。另外反向恢復(fù)電流在CCM電流連續(xù)模式下，會(huì)對(duì)開關(guān)管造成很大的威脅。反向恢復(fù)的電壓會(huì)反射到開關(guān)管上，使開關(guān)管的應(yīng)力增加，損耗增大。
SiC的臨界擊穿場強(qiáng)是Si的10倍左右，這意味著SiC具有更高的電壓耐受，耐壓等級(jí)可達(dá)到3300V以上，適用的場合更廣泛，在相同功率下SiC的尺寸可以做到更小。另外器件的導(dǎo)通電阻更小，高壓損耗低。
SiC二極管的禁帶寬度是硅管的三倍，有更高工作溫度，硅管在150～175℃之后，可靠性和性能指標(biāo)明顯下降。而且SiC二極管的性能基本不受結(jié)溫的影響，最高工作溫度175℃ 依舊可以可靠運(yùn)行。
碳化硅材料導(dǎo)熱率高，是硅的3倍，導(dǎo)熱率高，器件熱傳導(dǎo)能力越強(qiáng)，溫升就會(huì)小，壽命更長。一減少散熱介質(zhì)的體積，簡化冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和成本。二可以工作在更高的環(huán)境溫度下，穩(wěn)定性更高，維護(hù)成本降低。三相同尺寸的器件功率密度會(huì)更高。
SiC電子飽和漂移速度是硅的2倍，同時(shí)沒有反向恢復(fù)電流的優(yōu)點(diǎn)，決定了SiC二極管可以工作在更高的工作頻率。整個(gè)系統(tǒng)的體積，成本會(huì)隨著開關(guān)頻率的的提高而減小。
SiC材料抗輻射能力高，抗中子輻射能力至少是硅的四倍，適用于特殊場合的產(chǎn)品中。
三、有哪些大功率快充導(dǎo)入了碳化硅
碳化硅憑借其獨(dú)特的屬性，已經(jīng)開始在大功率、高密度快充電源中嶄露頭角，獲得眾多電源工廠青睞。充電頭網(wǎng)通過往期的拆解了解到，目前已有倍思120W快充、MOMAX 100W 快充，以及REMAX 100W快充內(nèi)置了碳化硅，從而實(shí)現(xiàn)了更高的功率密度。
2020年2月25日，倍思推出全球第一款氮化鎵+碳化硅 (GaN+SiC) 充電器，并在kickstarter眾籌成功。該產(chǎn)品功率高達(dá)120W，并且同樣搭配2C1A多口輸出配置。倍思Galio 120W充電器中使用的氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）是目前最為先進(jìn)的電子半導(dǎo)體材料，它們具有高頻率特性在高電壓大電流傳輸方面具有優(yōu)勢，這意味著可以達(dá)到更高的效率，更低的發(fā)熱量和更小的體積。
據(jù)了解，倍思Galio 120W充電器在PFC整流電路中采用了一顆來自Alpha Power的碳化硅二極管，產(chǎn)品型號(hào)：ACD06PS065G；搭配納微氮化鎵功率器件，由安森美PFC控制器進(jìn)行主動(dòng)式功率因數(shù)校正。
摩米士100W 2A2C氮化鎵充電器機(jī)身方正扁平，配備可折疊插腳，而且從插腳設(shè)計(jì)來看，還支持組裝其它規(guī)格插腳，便攜且適用于各個(gè)地區(qū)。充電器支持QC、AFC、FCP、SCP、MTK PE+2.0、PD和PPS快充協(xié)議，并將兩類接口設(shè)計(jì)成支持盲插使用，用戶無需刻意尋找快充接口，使用方便。接口支持100W、65W+30W、華為22.5W快充，支持廣泛，實(shí)用性強(qiáng)。整個(gè)產(chǎn)品集便攜、易用于一身。
MOMAX這款充電器采用美浦森MSD06065V1碳化硅二極管配合英諾賽科INN650D2氮化鎵開關(guān)管以及恩智浦PFC控制器進(jìn)行主動(dòng)功率因數(shù)校正。據(jù)了解，美浦森MSD06065V1是一顆650V耐壓的碳化硅肖特基二極管，TO252封裝。
REMAX 100W 2A2C氮化鎵充電器采用白色機(jī)身殼，表面啞光處理，整體看去非常簡潔。充電器配有2A2C共4個(gè)接口，支持多種常見快充協(xié)議，USB-C口和USB-A口分別具備單口最大100W和30W輸出，并支持多口同時(shí)快充，可以滿足筆記本電腦、手機(jī)、平板、移動(dòng)電源等多種設(shè)別的充電需求。
充電頭網(wǎng)通過拆解了解到，這款充電器內(nèi)置PFC升壓電路，采用LLC+GaN高性能架構(gòu)。PFC升壓部分采用恩智浦控制器，并選擇美浦森MSD04065G1碳化硅二極管以及英諾賽科INN650D2氮化鎵開關(guān)管進(jìn)行整流。美浦森MSD04065G1是一顆650V耐壓的碳化硅肖特基二極管，TO252封裝。
四、市面上有哪些碳化硅二極管廠商
充電頭網(wǎng)通過調(diào)研了解到，目前市面上可用于大功率USB PD快充電源領(lǐng)域的碳化硅有四家供應(yīng)商，分別是Alpha Power Solutions創(chuàng)能動(dòng)力、Global Power泰科天潤、Maplesemi美浦森以及PY平偉。下面就為大家分別介紹這幾家碳化硅廠商的產(chǎn)品與應(yīng)用案例。
Alpha Power Solutions創(chuàng)能動(dòng)力
Alpha Power Solutions (APS) 成立于2017年，2019年總部由香港遷至上海，是國內(nèi)首家成功開發(fā)出碳化硅6英寸晶圓制造技術(shù)的企業(yè)，結(jié)合專有的關(guān)鍵SiC工藝，專注于制造大功率SiC器件。截至目前，公司已開發(fā)出三十多種產(chǎn)品，自主擁有發(fā)明和應(yīng)用專利逾30項(xiàng)。現(xiàn)有業(yè)界領(lǐng)先的量產(chǎn)SiC二極管產(chǎn)品，其最高電壓至3300V, 電流最高至50A。
Alpha Power Solutions是國內(nèi)第一家在硅晶圓代工廠成功試產(chǎn)6英寸碳化硅晶圓的公司；國內(nèi)第一家在碳化硅二極管生產(chǎn)上采用Thinning Technology工藝 的公司；國內(nèi)第一家擁有自主專利的JBS架構(gòu)（Buffer JBS）；國內(nèi)第一家在產(chǎn)品性能和品質(zhì)上向國際廠家看齊的碳化硅器件供應(yīng)商。
1、Alpha Power Solutions ACD06PS065G
Alpha Power Solutions ACD06PS065G，屬于工業(yè)級(jí)器件，耐壓650V，額定電流6A，正向壓降1.5V，最大連續(xù)電流18A，DFN8*8封裝，可用于太陽能逆變器，AC/DC轉(zhuǎn)換器，DC/DC轉(zhuǎn)換器和不間斷電源等。
應(yīng)用案例：
Global Power泰科天潤
泰科天潤半導(dǎo)體科技（北京）有限公司是中國碳化硅（SiC）功率器件產(chǎn)業(yè)化的倡導(dǎo)者之一。泰科天潤致力于中國半導(dǎo)體功率器件制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，并向全球功率器件消費(fèi)者提供優(yōu)質(zhì)的半導(dǎo)體功率器件產(chǎn)品和專業(yè)服務(wù)。
泰科天潤在北京擁有一座完整的半導(dǎo)體工藝晶圓廠，可在4/6英寸SiC晶圓上實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體功率器件的制造工藝。作為國內(nèi)碳化硅研發(fā)生產(chǎn)和平臺(tái)服務(wù)型公司，泰科天潤的產(chǎn)品線涉及基礎(chǔ)核心技術(shù)產(chǎn)品、碳化硅成型產(chǎn)品以及多套行業(yè)解決方案。目前泰科天潤的碳化硅器件650V/2A-100A、1200V/2A-50A、1700V/5A -50A、3300V/0.6A-50A等系列的產(chǎn)品已經(jīng)投入批量生產(chǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量完全可以比肩國際同行業(yè)的先進(jìn)水平。泰科天潤通過與產(chǎn)業(yè)同行、科研院所、國內(nèi)外專家共同探索與開發(fā)，正在將SiC功率器件推廣到更多更廣的應(yīng)用領(lǐng)域。
1、泰科天潤G5S06506QT
泰科天潤G5S06506QT具備正溫度系數(shù)，易于并聯(lián)使用；不受溫度影響的開關(guān)特性；最高工作溫度可達(dá)150℃；同時(shí)具有零反向恢復(fù)電流、零正向恢復(fù)電壓的特性。G5S06506QT是一顆單極器件，極大降低開關(guān)損耗，并聯(lián)器件中沒有熱崩潰，降低系統(tǒng)對(duì)散熱片的依賴。適用于開關(guān)模式電源（SMPS），功率因數(shù)校正（PFC）；電機(jī)驅(qū)動(dòng)、光伏逆變器、不間斷電源、風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)、列車牽引系統(tǒng)、電動(dòng)汽車等領(lǐng)域。
2、泰科天潤G5S06506ZT
泰科天潤G5S06506ZT具備正溫度系數(shù)，易于并聯(lián)使用；不受溫度影響的開關(guān)特性；最高工作溫度可達(dá)175℃；同時(shí)具有零反向恢復(fù)電流、零正向恢復(fù)電壓的特性。G5S06506ZT是一顆單極器件，極大降低開關(guān)損耗，并聯(lián)器件中沒有熱崩潰，降低系統(tǒng)對(duì)散熱片的依賴。適用于開關(guān)模式電源（SMPS），功率因數(shù)校正（PFC）；電機(jī)驅(qū)動(dòng)、光伏逆變器、不間斷電源、風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)、列車牽引系統(tǒng)、電動(dòng)汽等領(lǐng)域。
Maplesemi美浦森
美浦森半導(dǎo)體成立于2014年，是一家集研發(fā)、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、銷售和服務(wù)為一體的完整型產(chǎn)業(yè)鏈公司，國家級(jí)高新技術(shù)企業(yè),主營功率MOS、中低壓MOS、超結(jié)MOS、碳化硅MOS、碳化硅二極管等系列產(chǎn)品。
美浦森半導(dǎo)體專注于設(shè)計(jì)、開發(fā)、測試和銷售基于先進(jìn)的 Planar VDMOS、Trench MOS、SJMOS、SiC SBD、SiC MOS等工藝結(jié)構(gòu)的功率器件產(chǎn)品。以消費(fèi)類電子、工業(yè)領(lǐng)域、新能源領(lǐng)域等為市場目標(biāo)，致力成為世界一流的功率元器件公司。
碳化硅具有175℃的最高工作溫度，同時(shí)導(dǎo)熱性是硅的數(shù)倍，可以降低散熱需求，并提高功率，在充電器應(yīng)用可減小散熱，提高功率密度，適用于開關(guān)電源、PFC、馬達(dá)驅(qū)動(dòng)和氙氣燈應(yīng)用。
應(yīng)用案例：
（2）LLC+GaN高性能架構(gòu)：摩米士100W 2A2C氮化鎵快充拆解
PY平偉
重慶平偉實(shí)業(yè)股份有限公司是一家集芯片設(shè)計(jì)、封測、應(yīng)用與可靠性檢測服務(wù)一體化的功率半導(dǎo)體IDM產(chǎn)品公司。公司以功率半導(dǎo)體器件為產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，面向智能終端、工業(yè)控制、物聯(lián)網(wǎng)、新能源汽車、5G通訊、家電、衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)、安全電子、綠色照明等市場領(lǐng)域，建立了產(chǎn)品開發(fā)、制造和測試平臺(tái)，提供高可靠性的中低壓和高壓功率器件、模塊等產(chǎn)品和系統(tǒng)解決方案。
公司位于重慶市梁平工業(yè)園區(qū)，專業(yè)生產(chǎn)各類半導(dǎo)體器件，包括整流二極管、快恢復(fù)二極管、TVS、齊納二極管、肖特基、整流橋、MOSFET、IGBT、同步整流器件、SiC及GaN器件等，占地面積24萬平方米，注冊(cè)資金3.5億元，總投資超過15億元。公司擁有45條封裝生產(chǎn)線和6條中試生產(chǎn)線，建設(shè)有自主可控半導(dǎo)體離散型智能制造車間，年產(chǎn)銷各類功率半導(dǎo)體器件200億只，是國內(nèi)最大的電源配套功率半導(dǎo)體器件綜合供應(yīng)商。
1、平偉PASC0665GG
平偉PASC0665GG是一款650V肖特基二極管，具有零反向恢復(fù)/零正向恢復(fù)、高效運(yùn)行、切換速度極快、不受溫度影響的開關(guān)特性。適用于開關(guān)電源、功率因數(shù)校正電路、太陽能逆變器、不間斷電源等領(lǐng)域。
充電頭網(wǎng)總結(jié)
使用SiC代替?zhèn)鹘y(tǒng)Si二極管的優(yōu)勢在于效率提高，更符合節(jié)能減排的要求、可靠性提高，維護(hù)成本降低、產(chǎn)品尺寸更小，成本進(jìn)一步降低，使產(chǎn)品更具有競爭力。
在氮化鎵快充適配器中應(yīng)用碳化硅二極管，利用碳化硅二極管的極短反向恢復(fù)時(shí)間優(yōu)勢，配合氮化鎵的高速開關(guān)特性，可以提高PFC級(jí)的開關(guān)頻率，使用更小體積的電感滿足輸出功率。從而提高適配器功率密度，滿足大功率適配器的小體積要求。
碳化硅材料作為第三代半導(dǎo)體，目前已有多家廠商投產(chǎn)，在諸多場合取代傳統(tǒng)快恢復(fù)二極管，提高了電動(dòng)汽車、逆變器、軌道交通、太陽能和風(fēng)力發(fā)電上的效率和可靠性。如今引入大功率氮化鎵適配器中，為大功率、高密度PD快充的普及更增添一份力量。
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