怎么样打造“不一样”的电源管理器件？

时间: 2024-11-27 01:08:55 |   作者: 产品中心

　　是一个很“卷”的市场，这是不争的事实。一方面，众多半导体厂商都在追求更高的效率、更紧凑的封装、更高的单位体积内的包含的能量之路上狂奔，力求打造出更为“极致”的产品；而另一方面，传统硅（Si）基器件，已经越来越接近性能的天花板，从其身上可以榨取的附加值也慢慢变得少。

　　在这样的大背景下，想要打造出具有差异化优势的、与众不同的电源管理器件，难度可想而知。不过，成功实现这样的目标，也并非无迹可寻，通常来说有两个可选的路径：

　　寻找新的替代技术，实现器件性能的迭代升级。就电源管理领域而言，特别是在中高功率的应用中，第三代宽禁带半导体（如SiC和GaN）器件的开发和应用日趋火热，就是这一个原因。各个厂商都想抢先在这样的领域有所建树，利用性能上的代差优势，从传统硅基器件的“红海”中脱颖而出。

　　针对特定应用的优化，在某个细分领域确立优势。通过精准的产品定位，以及在性能上的精益求精，在依然庞大的硅基电源管理器件市场，这是一个重要的竞争策略。

　　对于上面两条路径，大家都心知肚明，可在现实的市场之间的竞争中，谁能够走得通、走得好，则十分考验半导体厂商的市场洞察力和技术实力。在“打造差异化的电源管理产品”方面，Nexperia的表现就很出色。他们是怎么样才能做到的？本文将带着大家做一番深入地探究。

　　如前文所述，推动新一代的宽禁带半导体器件的开发，是功率半导体厂商确立差异化优势的关键着力点。这一点，在SiC器件的研发和应用上表现得尤为突出。

　　与传统的如Si材料相比，SiC具有全面的性能优势，如更宽的禁带（能隙）、更高的电场强度、更高的热导率等（如图1）。在诸多优势的加持下，SiC器件的性能提升也是全方位的：

　　在相同标称电压下，SiC的介电击穿场强比Si基器件高10倍，且漂移层也更薄。因此，SiC器件的电阻率更低，热传导性能更优，与同级别标称电压的Si器件相比，芯片尺寸也能做到更小。

　　SiC的热导率大约是Si基器件的3.5倍，这在某种程度上预示着单位芯片面积耗散的功率更多，热性能更佳。

　　SiC器件的工作时候的温度可以高达Si基器件的两倍，这可为SiC器件带来额外的可靠性裕量，在遇到瞬态热冲击时表现出更优的性能。

　　由于芯片尺寸更小，在特定电流和额定电压下，SiC器件固有的电容和相关电荷都会更低，加之SiC具有更高的电子饱和速度，因此SiC器件可实现比Si基器件更快的开关速度和更低的损耗。

　　正是看到了SiC的巨大潜力，涌入这条赛道的半导体厂商也慢慢变得多，相应的竞争也越来越激烈。这也就要求半导体厂商所开发的SiC器件，必须要有异于他人的“绝活”，才能立于不败之地。

　　在进入SiC这个新赛道时，大多数半导体厂商都会选择将SiC肖特基二极管作为切入点。这是因为SiC肖特基二极管结构和工艺相对简单，应用广泛，很适合作为SiC技术商用的敲门砖。

　　与类似的Si基功率二极管相比，SiC二极管中不会发生少数载流子积聚的现象，因此效率非常高，相应的散热要求较低，有助于实现更高的功率密度。同时，由于开关损耗低，SiC二极管可实现更高的开关频率，耗散的热量也较小，因此只需使用较简单的EMI滤波组件和更小巧的磁性组件，十分有利于在系统成本和外形上的优化。此外，SiC二极管还可耐受更高温度，具有更高的耐用性和可靠性。

　　可以说，相对于传统的Si功率二极管，SiC肖特基二极管在很多性能方面都具有“碾压式”的优势，不过这并不意味着其已经尽善尽美，比如与Si快速恢复二极管相比，SiC二极管的一些特性仍有待提高，这也为相关产品的差异化提供了空间。

　　在打造差异化的SiC二极管方面，Nexperia从设计和制造工艺上双管齐下，将器件的性能提升到了一个新高度。

　　具体来讲，在SiC二极管的设计上，Nexperia将肖特基二极管和P-N结二极管有效地并联在一起，形成了一种被称为“合并PiN肖特基（MPS）”的混合器件结构，由此带来的差异化优势是多方面的。

　　大家知道，金属-半导体接面的缺陷是SiC肖特基二极管漏电流的主要成因，虽然采用更厚的漂移层可减小漏电流，但也会提高电阻和热阻，不利于电源应用。而MPS混合二极管结构，在传统肖特基结构的漂移区内嵌入P掺杂区，与肖特基阳极的金属构成P型欧姆接触，并与轻度掺杂SiC漂移或外延层构成P-N结。在反向偏压下，P阱将“驱使”极高场强的通用区域向下移动到几乎没有缺陷的漂移层，远离有缺陷的金属势垒区域，从而减小总漏电流（如图3所示）。同时，正向压降会抵消漏电流和浪涌电流，因此在漏电流和漂移层厚度相同的情况下，MPS结构器件可在更高的击穿电压下运行。

　　图3：在SiC肖特基二极管中添加P阱可使反向偏压下的极高场强区域远离阳极金属区域，从而减小总漏电流（图源：Nexperia）

　　SiC器件的浪涌电流性能与其单极性和相对较高的漂移层电阻相关。正常运行时，MPS二极管的肖特基器件传导几乎所有电流，如同“纯”肖特基二极管那样有效运行，同时在开关期间提供相同的优势；而在高瞬态浪涌电流事件期间，通过MPS二极管的电压会超过内置P-N结二极管的开启电压，从而开始以更低的差分电阻传导。这样可以转移电流，同时限制耗散的功率，并缓解MPS二极管的热应力。而如果使用传统的肖特基二极管，应对同样级别的瞬时过流事件，则不得不选择尺寸超规格的器件。

　　反向恢复电荷是造成Si快速恢复二极管功率损耗的一个主要原因。而对于SiC二极管来说，只有多数载流子才会影响二极管的总电流，这意味着SiC二极管能够表现出几乎恒定的行为，几乎不会有Si快速恢复二极管那样的非线性性能。这使得开发者更容易预测出SiC器件的行为，而无需考虑各种环境温度和负载条件，为设计提供更大的便利性。

　　除了优化的器件结构，在工艺上，Nexperia通过打造创新的“薄型SiC”二极管结构，大大减少了芯片厚度，使得MPS二极管性能进一步提升。

　　从MPS二极管的结构来看，未经过处理的SiC衬底为N掺杂衬底，并会生长出SiC外延层，以形成漂移区。衬底初始的厚度可达500μm，但在形成外延后，会给背面金属的电流和热流路径增加额外的电阻和热阻，使得给定电流下的正向压降和结温变得更高。

　　对此，Nexperia的解决方案是通过特殊的工序，将衬底的底面“磨薄”，并保持厚度的均匀性——如果厚度不均匀，可能会降低二极管的性能，甚至导致现场应用中的器件失效。通过对材料质量和研磨精度的把控，Nexperia的“薄型SiC”技术可将衬底厚度减少到原来的三分之一。

　　图4：薄型SiC工艺可显著提高二极管的电气性能和热性能（图源：Nexperia）

　　Nexperia的PSC1065K SiC肖特基二极管，就是基于MPS架构、采用“薄型SiC”工艺打造的器件。该SiC二极管采用R2P TO-220-2（SOT8021）通孔大功率塑料封装，具有与温度无关的电容关断、零恢复开关特性，以及出色的品质因数 (QCx VF)，适用于各类超高性能、低损耗、高效电源转换应用。

　　在电源管理领域，除了功率二极管，SiC MOSFET也是各个厂商角逐的一个主赛场。这是因为，凭借高耐压、低导通电阻、高开关频率、高效率、小型化等优势，SiC MOSFET有望在诸多应用中替代原有的主流Si基器件（如MOSFET和IGBT），应用范围广，市场前景非常可观。

　　随着技术和市场的发展，今天SiC MOSFET领域的竞争也愈发激烈。想要从中胜出，参与竞争的SiC MOSFET器件，必须能够提供更为独特的功能，为用户带来其他竞品无法替代的价值。

　　在这个领域，Nexperia的招牌产品是其推出的1200V SiC MOSFET，其充分发挥出了SiC器件的优势，具有出色的温度稳定性和很高的开关速度，非常适合于大功率和高压工业应用。

　　值得注意的是，在此基础上，这些SiC MOSFET产品体现出的四大差异化优势，更是锦上添花，让人过目不忘。

　　对于典型的SiC器件，随着结温的升高，RDS(ON)在整个工作温度范围内通常会增加到1.6至2倍。而Nexperia的1200V SiC MOSFET，其RDS(ON)温度漂移仅为1.4倍。这意味着，与竞品相比，这种出色的温度稳定性可有效减少高温下导通损耗，这一优势特性对于电机驱动、充电基础设施、太阳能光伏、UPS等需要较高工作温度的应用，大有裨益。

　　MOSFET的阈值电压(Vth)是器件安全工作的一个重要指标，同时阈值电压容差也是一个不容忽视的相关关键参数，该参数表示指定的阈值电压的极小值和极大值之间的变化。低阈值电压容差，意味着可以在多个并联的SiC MOSFET之间实现高度对称的开关行为——这种并联设计是许多电源应用中的常见布局形式——通过“平衡的并联”减少单个器件的应力，进而增强电路性能并延长产品寿命。与类似的竞品相比，Nexperia的SiC MOSFET的阈值电压变化仅为1.2V，表现十分出众。

　　图8：Nexperia的SiC MOSFET具有更低的阈值电压容差，有助于实现器件的平衡并联（图源：Nexperia）

　　对于SiC MOSFET来说，低栅极电荷 (QG) 可以降低开关操作期间的栅极驱动损耗，还有助于降低功耗和对栅极驱动器的其他要求。此外，栅漏电荷 (QGD) 和栅源电荷 (QGS) 之间的比率，也是考量器件稳定性的重要指标，如果QGD低于QGS，SiC MOSFET可提供更稳定的性能。Nexperia的1200V SiC MOSFET不仅具有低QG，而且还具有出色的QGD与QGS电荷比，这确保了其能够提供更低功耗、更出色的稳健性和更安全的开关性能。

　　SiC MOSFET通常用于具有高边和低边MOSFET的对称桥配置，即一个器件导通时另一个器件则关断。为防止发生潜在的破坏性短路，需要一定的“死区时间”（即两个器件都处于关断状态的短暂持续时间）。但即使在死区时间内，电流也会继续流过MOSFET的体二极管，并且产生的压降高于器件通道导通时的压降。也就是说，死区时间间隔内升高的压降会带来更高的功率损耗。Nexperia的1200V SiC MOSFET具有出色的体二极管稳健性，相较其他同类产品，具有更低的正向压降。因此，与其他具有相同工作条件和死区时间的器件相比，Nexperia的SiC MOSFET损耗要低得多。

　　总之，SiC MOSFET相对于Si基器件的优势已经众所周知，但随着慢慢的变多SiC MOSFET产品的面市，想要在众多竞品中脱颖而出，也非易事。而Nexperia的SiC MOSFET器件，凭借超低RDS(on)漂移、超低阈值电压差、低栅极电荷和出色的栅极电荷比，以及超低正向压降等优势，找到了赢得差异化竞争的“密码”。

　　如果说上文提到的两款Nexperia的SiC产品，是在技术迭代升级中寻求突破，那么下面这款产品则是选择了另一条差异化的路径，即“通过面向应用的优化，在细分市场上确立竞争优势”。

　　随着电子产品的智能化，使用显示屏的产品越来越多，以提供更佳的人机交互体验，这也推动了对于屏幕偏压驱动芯片需求的增长。针对这一市场需求，Nexperia推出了新一代的两路输出LCD偏压电源系列产品——NEX10000和NEX10001电源IC，它们集成了LDO稳压器、集成式升压转换器和负电荷泵，分别可以提供80mA和高达220mA的两路输出电流，提供稳定的屏幕显示。

　　为了获得差异化的优势，Nexperia的这两款IC在两个方面做了特别的优化：一是小型化，二是高效率。

　　在小型化方面，这两款器件均可用I2C编程两路电压输出，仅需一个电感器即可为两个输出端提供支持，并采用内部补偿，因此有助于减小PCB面积。此外，NEX10000/1采用紧凑的WLCSP15封装，外形尺寸仅为1.16 × 1.96 × 0.62mm，非常适合于在空间受限的设计中应用。

　　在低功耗方面，NEX10000/1内置了升压转换器，该转换器能够根据负载电流，在连续导通模式（CCM）和脉冲频率调制模式（PFM）之间切换，从而显著提升效率，降低器件的功耗，特别有利于电池供电设备的续航。

　　此外，这两款器件都支持2.7V至5V的输入电压范围，并具有非常出色的输入和负载瞬态响应，这些特性可减少输出纹波，从而为LCD提供更稳定的图像，更大限度地延长LCD的工作寿命，是智能手机、平板电脑、VR头显和LCD模块等产品的理想选择。

　　综上所述，打造具有差异化优势的“不一样”的产品，是当下电源管理器件市场的竞争之道。无论是借助技术升级开疆扩土，还是在成熟市场中精耕细作，都是实现这一目标的有效途径，当然也是检验元器件厂商“功力”的命题。