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2022-01-02 充电头网
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碳化硅(SiC)是碳和硅的化合物,碳化硅单晶材料目前采用物理气相输运(PVT)法,在超过2000℃的高温下,将碳粉和硅粉通过高温分解成原子,通过温度控制沉积在碳化硅籽晶上形成碳化硅晶体。碳化硅是第三代宽禁带半导体材料,与硅(Si)相比,碳化硅的介电击穿强度更大、饱和电子漂移速度更快且热导率更高。因此,当用于半导体器件中时,碳化硅器件拥有高耐压、高速开关、低导通电阻、高效率等特性,有助于降低能耗和缩小系统尺寸。

目前碳化硅在电动汽车、逆变器、轨道交通、太阳能和风力发电上广泛应用。随着USB PD快充技术的普及和氮化镓技术的成熟,大功率快充电源市场逐渐兴起,碳化硅二极管也开始在消费类电源市场中崭露头角,被部分100W大功率氮化镓快充产品选用。在大功率快充电源产品中,碳化硅二极管搭配氮化镓功率器件,可以将PFC级的工作频率从不足100KHz提升到300KHz,由此减小升压电感体积,实现高功率密度的设计,同时产品的效率也达到了大幅提升,成为大功率电源产品的核心竞争力。因此,碳化硅在消费类电源领域的关注度越来越高。今天这篇文章将围绕碳化硅在USB PD快充电源中的应用展开分享。


一、PFC电路在安规中的重要性

开关电源中,由于整流后采用大容量的滤波电容,呈现容性负载,而在电容充放电时会使电网中产生大量高次谐波,产生污染和干扰,人们开始在开关电源中引入PFC电路,功率在75W以上的开关电源强制要求加入PFC电路以提高功率因数,修正负载特性。

PFC分为被动式和主动式两种。被动式采用大电感串联补偿,主要缺点是体积大,且效率低。随着近年来半导体器件迅猛发展,被动式PFC被主动式PFC全面取代。主动式PFC采用PFC控制器、开关管、电感和二极管组成升压电路,具有体积小,输入电压范围宽,功率因数补偿效果好的优点。

主动式PFC通过控制器驱动开关管升压、二极管整流为主电容充电,根据电压电流之间的相位差进行功率因素补偿。


二、碳化硅应用于PFC电路优势

随着业界对电源功率密度的追求,以及氮化镓功率器件的普及,主动式PFC需要提高工作频率来减小磁芯体积,此时常规快恢复二极管的性能已经不能满足高频下整流需求,这为碳化硅二极管在PFC上的应用创造有利条件。

安森美基于Si的超高速二极管

Alpha Power基于碳化硅的二极管


SiC二极管相对于Si二极管有如下的优点:

没有反向恢复电流,反向恢复时间极短,应用中没有反向恢复尖峰,在CCM模式下具有很强的优势,硅二极管反向恢复电流的峰值相当可观,有的甚至会数倍于正向电流,这不但会增加二极管的损耗,也会引起较大的EMT(电磁干扰)。当频率升高时,关断和导通频繁,损耗就更加严重,如果二极管反向恢复时间过长,而频率过高的话,反向恢复阶段还没结束,下一个脉冲又到来,则二极管在正、反向都可导通,失去了二极管最基本的特性,起不到开关作用。二极管完全无法工作。所以二极管反向恢复电流和恢复时间的存在会限制开关电源的开关频率,无法进一步小型化。高频整流电路中要选择反向恢复电流较小、反向恢复时间较小的整流二极管。另外反向恢复电流在CCM电流连续模式下,会对开关管造成很大的威胁。反向恢复的电压会反射到开关管上,使开关管的应力增加,损耗增大。


SiC的临界击穿场强是Si的10倍左右,这意味着SiC具有更高的电压耐受,耐压等级可达到3300V以上,适用的场合更广泛,在相同功率下SiC的尺寸可以做到更小。另外器件的导通电阻更小,高压损耗低。SiC二极管的禁带宽度是硅管的三倍,有更高工作温度,硅管在150~175℃之后,可靠性和性能指标明显下降。而且SiC二极管的性能基本不受结温的影响,最高工作温度175℃ 依旧可以可靠运行。


碳化硅材料导热率高,是硅的3倍,导热率高,器件热传导能力越强,温升就会小,寿命更长。一减少散热介质的体积,简化冷却系统的设计和成本。二可以工作在更高的环境温度下,稳定性更高,维护成本降低。三相同尺寸的器件功率密度会更高。SiC电子饱和漂移速度是硅的2倍,同时没有反向恢复电流的优点,决定了SiC二极管可以工作在更高的工作频率。整个系统的体积,成本会随着开关频率的的提高而减小。

SiC材料抗辐射能力高,抗中子辐射能力至少是硅的四倍,适用于特殊场合的产品中。


三、有哪些大功率快充导入了碳化硅

碳化硅凭借其独特的属性,已经开始在大功率、高密度快充电源中崭露头角,获得众多电源工厂青睐。充电头网通过往期的拆解了解到,目前已有倍思120W快充、MOMAX 100W 快充,以及REMAX 100W快充内置了碳化硅,从而实现了更高的功率密度。


1、Baseus倍思2C1A 120W氮化镓充电器

2020年2月25日,倍思推出全球第一款氮化镓+碳化硅 (GaN+SiC) 充电器,并在kickstarter众筹成功。该产品功率高达120W,并且同样搭配2C1A多口输出配置。倍思Galio 120W充电器中使用的氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)是目前最为先进的电子半导体材料,它们具有高频率特性在高电压大电流传输方面具有优势,这意味着可以达到更高的效率,更低的发热量和更小的体积。

据了解,倍思Galio 120W充电器在PFC整流电路中采用了一颗来自Alpha Power的碳化硅二极管,产品型号:ACD06PS065G;搭配纳微氮化镓功率器件,由安森美PFC控制器进行主动式功率因数校正。


2、MOMAX摩米士100W 2A2C氮化镓快充充电器

摩米士100W 2A2C氮化镓充电器机身方正扁平,配备可折叠插脚,而且从插脚设计来看,还支持组装其它规格插脚,便携且适用于各个地区。充电器支持QC、AFC、FCP、SCP、MTK PE+2.0、PD和PPS快充协议,并将两类接口设计成支持盲插使用,用户无需刻意寻找快充接口,使用方便。接口支持100W、65W+30W、华为22.5W快充,支持广泛,实用性强。整个产品集便携、易用于一身。

MOMAX这款充电器采用美浦森MSD06065V1碳化硅二极管配合英诺赛科INN650D2氮化镓开关管以及恩智浦PFC控制器进行主动功率因数校正。据了解,美浦森MSD06065V1是一颗650V耐压的碳化硅肖特基二极管,TO252封装。


3、REMAX睿量100W 2A2C氮化镓快充充电器

REMAX 100W 2A2C氮化镓充电器采用白色机身壳,表面哑光处理,整体看去非常简洁。充电器配有2A2C共4个接口,支持多种常见快充协议,USB-C口和USB-A口分别具备单口最大100W和30W输出,并支持多口同时快充,可以满足笔记本电脑、手机、平板、移动电源等多种设别的充电需求。

充电头网通过拆解了解到,这款充电器内置PFC升压电路,采用LLC+GaN高性能架构。PFC升压部分采用恩智浦控制器,并选择美浦森MSD04065G1碳化硅二极管以及英诺赛科INN650D2氮化镓开关管进行整流。美浦森MSD04065G1是一颗650V耐压的碳化硅肖特基二极管,TO252封装。


四、市面上有哪些碳化硅二极管厂商

充电头网通过调研了解到,目前市面上可用于大功率USB PD快充电源领域的碳化硅有四家供应商,分别是Alpha Power Solutions创能动力、Global Power泰科天润、Maplesemi美浦森以及PY平伟。下面就为大家分别介绍这几家碳化硅厂商的产品与应用案例。


Alpha Power Solutions (APS) 成立于2017年,2019年总部由香港迁至上海,是国内首家成功开发出碳化硅6英寸晶圆制造技术的企业,结合专有的关键SiC工艺,专注于制造大功率SiC器件。截至目前,公司已开发出三十多种产品,自主拥有发明和应用专利逾30项。现有业界领先的量产SiC二极管产品,其最高电压至3300V, 电流最高至50A。


Alpha Power Solutions是国内第一家在硅晶圆代工厂成功试产6英寸碳化硅晶圆的公司;国内第一家在碳化硅二极管生产上采用Thinning Technology工艺 的公司;国内第一家拥有自主专利的JBS架构(Buffer JBS);国内第一家在产品性能和品质上向国际厂家看齐的碳化硅器件供应商。

1、Alpha Power Solutions ACD06PS065G

Alpha Power Solutions ACD06PS065G,属于工业级器件,耐压650V,额定电流6A,正向压降1.5V,最大连续电流18A,DFN8*8封装,可用于太阳能逆变器,AC/DC转换器,DC/DC转换器和不间断电源等。


应用案例:

泰科天润半导体科技(北京)有限公司是中国碳化硅(SiC)功率器件产业化的倡导者之一。泰科天润致力于中国半导体功率器件制造产业的发展,并向全球功率器件消费者提供优质的半导体功率器件产品和专业服务。


泰科天润在北京拥有一座完整的半导体工艺晶圆厂,可在4/6英寸SiC晶圆上实现半导体功率器件的制造工艺。作为国内碳化硅研发生产和平台服务型公司,泰科天润的产品线涉及基础核心技术产品、碳化硅成型产品以及多套行业解决方案。目前泰科天润的碳化硅器件650V/2A-100A、1200V/2A-50A、1700V/5A -50A、3300V/0.6A-50A等系列的产品已经投入批量生产,产品质量完全可以比肩国际同行业的先进水平。泰科天润通过与产业同行、科研院所、国内外专家共同探索与开发,正在将SiC功率器件推广到更多更广的应用领域。

1、泰科天润G5S06506QT

泰科天润G5S06506QT具备正温度系数,易于并联使用;不受温度影响的开关特性;最高工作温度可达150℃;同时具有零反向恢复电流、零正向恢复电压的特性。G5S06506QT是一颗单极器件,极大降低开关损耗,并联器件中没有热崩溃,降低系统对散热片的依赖。适用于开关模式电源(SMPS),功率因数校正(PFC);电机驱动、光伏逆变器、不间断电源、风力发动机、列车牵引系统、电动汽等领域。


2、泰科天润G5S06506ZT

泰科天润G5S06506ZT具备正温度系数,易于并联使用;不受温度影响的开关特性;最高工作温度可达175℃;同时具有零反向恢复电流、零正向恢复电压的特性。G5S06506ZT是一颗单极器件,极大降低开关损耗,并联器件中没有热崩溃,降低系统对散热片的依赖。适用于开关模式电源(SMPS),功率因数校正(PFC);电机驱动、光伏逆变器、不间断电源、风力发动机、列车牵引系统、电动汽等领域。


Maplesemi美浦森

美浦森半导体成立于2014年,是一家集研发、设计、生产、销售和服务为一体的完整型产业链公司,国家级高新技术企业,主营功率MOS、中低压MOS、超结MOS、碳化硅MOS、碳化硅二极管等系列产品。美浦森半导体专注于设计、开发、测试和销售基于先进的 Planar VDMOS、Trench MOS、SJMOS、SiC SBD、SiC MOS等工艺结构的功率器件产品。以消费类电子、工业领域、新能源领域等为市场目标,致力成为世界一流的功率元器件公司。碳化硅具有175℃的最高工作温度,同时导热性是硅的数倍,可以降低散热需求,并提高功率,在充电器应用可减小散热,提高功率密度,适用于开关电源、PFC、马达驱动和氙气灯应用。


PY平伟

重庆平伟实业股份有限公司是一家集芯片设计、封测、应用与可靠性检测服务一体化的功率半导体IDM产品公司。公司以功率半导体器件为产业基础,面向智能终端、工业控制、物联网、新能源汽车、5G通讯、家电、卫星互联网、安全电子、绿色照明等市场领域,建立了产品开发、制造和测试平台,提供高可靠性的中低压和高压功率器件、模块等产品和系统解决方案。


公司位于重庆市梁平工业园区,专业生产各类半导体器件,包括整流二极管、快恢复二极管、TVS、齐纳二极管、肖特基、整流桥、MOSFET、IGBT、同步整流器件、SiC及GaN器件等,占地面积24万平方米,注册资金3.5亿元,总投资超过15亿元。公司拥有45条封装生产线和6条中试生产线,建设有自主可控半导体离散型智能制造车间,年产销各类功率半导体器件200亿只,是国内最大的电源配套功率半导体器件综合供应商。

1、平伟PASC0665GG

平伟PASC0665GG是一款650V肖特基二极管,具有零反向恢复/零正向恢复、高效运行、切换速度极快、不受温度影响的开关特性。适用于开关电源、功率因数校正电路、太阳能逆变器、不间断电源等领域。


总结

使用SiC代替传统Si二极管的优势在于效率提高,更符合节能减排的要求、可靠性提高,维护成本降低、产品尺寸更小,成本进一步降低,使产品更具有竞争力。在氮化镓快充适配器中应用碳化硅二极管,利用碳化硅二极管的极短反向恢复时间优势,配合氮化镓的高速开关特性,可以提高PFC级的开关频率,使用更小体积的电感满足输出功率。从而提高适配器功率密度,满足大功率适配器的小体积要求。


碳化硅材料作为第三代半导体,目前已有多家厂商投产,在诸多场合取代传统快恢复二极管,提高了电动汽车、逆变器、轨道交通、太阳能和风力发电上的效率和可靠性。如今引入大功率氮化镓适配器中,为大功率、高密度PD快充的普及更增添一份力量。

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    本文由天星转载自充电头网,原文标题为:快充行业普及碳化硅,本站所有转载文章系出于传递更多信息之目的,且明确注明来源,不希望被转载的媒体或个人可与我们联系,我们将立即进行删除处理。

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  • 用户81028070 Lv3. 高级工程师 2022-01-18
    有一定的意义
  • junhoo Lv6. 高级专家 2022-01-17
    全是优点?
  • 池塘邊的榕樹上 Lv6. 高级专家 2022-01-15
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