Gen 4碳化矽技术：重新定义高功率应用的效能和耐用性

Wolfspeed发布第四代碳化矽（SiC）MOSFET技术白皮书，针对高功率应用带来更高效能与可靠性。延续碳化矽技术创新传统，Wolfspeed在最新白皮书中介绍如何透过第四代MOSFET技术突破产业标准，提升硬开关技术的整体效能。相较于第三代技术的均衡表现，第四代MOSFET进一步强化性能，为高功率应用树立新标竿。

传导损失、室温RDS(on)，或RDS(on)×Qg 等制造商会非常关注的品质因数（FOM）上，Wolfspeed采取更广泛且整合的方法。Wolfspeed的设计理念将传导损耗、开关行为、耐用度和可靠性皆达到最佳化，确保拥有全方位效能。Gen 4 MOSFET延续这项承诺，提供更强化的指标，简化系统设计，同时不影响Wolfspeed的坚固性与耐用度。

Gen 4 MOSFET针对汽车、工业和再生能源系统，展现出碳化矽技术的典范暨转变。这些元件实现多样化，可针对应用最佳化提供裸晶、模块和分立产品的长期蓝图。每款以Gen 4为基础的设计，全力聚焦于三个效能矢量：整体系统效率、卓越耐用度及低系统成本，上述层面都让设计上能够实现前所未有的效能和价值。

提高能效

1. 导通损耗的重要性：对于电动车（EV）牵引逆变器、工业马达驱动器，人工智能（AI）系统暨服务器电源供应器等关键技术而言，将导通损耗降至最低至关重要。这些系统的运作其负载范围很广，通常会处于低功率状态相当长的时间。

降低导通损耗能够提升整个负载范围的效率，进而延长电动车的续航力、提高HVAC系统的能效等级，并因散热需求降低而减少系统所需的冷却成本。

此外，较低的导通传损耗能让半导体材料的利用率最大化，使特定应用的功率等级更高或材料成本更低，进而实现效率和成本的双赢。

2. 硬开关应用：在硬开关的操作上，例如工业马达驱动器、AI数据中心的电源供应器，以及电网连接系统的主动式前端（AFE）转换器中，减少切换损耗相当重要。

上述系统会在不同负载之下运作。它们有时会在短时间内以极高功率运作，但其产品周期中大部分时间都是处于较低功率。从效率的角度来看，将导通损耗和切换损耗降到最低有助于提升整个负载范围的效率。例如，在电动车中，这代表特定电池可以达到更长的里程或续航范围。

另外，降低切换损耗能带来两项主要优势。首先，客户可以提高切换频率，实现更小、更轻、更具成本效益的磁性元件和电容器。或者，他们也可以透过减少散热器设计而优先提高效率，透过更小的散热器或降低冷却需求进而降低系统等级成本。这些优势并不相互排斥，客户可以弹性地来根据其特定系统需求将其设计最佳化。

3. Gen 3与Gen 4 MOSFET效能比较：无论硬开关还是软开关，将导通损耗降到最低在所有功率电子应用中都极为重要。导通损耗主要是因功率MOSFET的导通电阻（RDS(on)）而来，其在操作状态下所需的电流等级和其结点（Die 中心热点）温度下进行评估的。

在全额定负载电流时，MOSFET通常会于接近其最大额定工作温度（或低于特定设计余量）的情况下运作。MOSFET编号选择型最终系统半导体BOM成本，会以此高温RDS(on)决定。

Wolfspeed的Gen 4 MOSFET能将此高温特定的导通电阻降低多达 21%，在较低的温度下甚至进一步降低。在电流与接合温度较低的轻负载情况下，横跨不同温度的RDS(on)降低，会直接转化为更高的系统效率和更长的运行寿命。

为说明Gen 4 MOSFET中的切换损耗和易用性进展，请参考半桥切换操作的波形。虽然Gen 3元件具有优异的效能和可靠性，而Wolfspeed Gen 4 MOSFET进一步改善体二极管性能并将设计最佳化，带来提升的切换速度和降低的电压过冲。

Gen 4元件的这些效能改进，建立在Gen 3的稳固基础之上，可确保产品组合转换期间，在要求严苛的操作条件下仍能保持卓越性能。

图二和图三呈现1200 V Gen 4元件的动态切换性能，与同等Gen 3元件的比较。调整闸极电阻值，于开通期间提供相应的di/dt，以及关断期间相应的dv/dt。虽然Gen 4元件能够提供更快的切换速度，但此方法能以较保守的方式比较元件效能。

于导通期间，对侧MOSFET的体二极管会断开，使反向恢复电流流过体二极管并进入导通的MOSFET 中。Gen 4体二极管行为的改进在导通电流波形上非常明显，其显示出更快的电流恢复速度，进而显着降低导通切换损耗。

此外，Gen 4的软式体二极管行为可减少切换后的振荡，降低系统噪声并改善EMI 。两代产品之间的开关特性类似，皆为损失低且EMI低。

体二极管性能改善，使得导通性能提升，大幅降低Gen 4元件的切换损耗。在许多情况下，切换损耗的减少幅度甚至可能更大，因为Gen 4元件可以在更高的di/dt等级运行，而不会在反向恢复期间超过VDS安全运行区域。

Gen 4元件在相同条件下运行时，反向恢复更为柔和，因此具有较低的di/dt，和显着降低的电压过冲（约 900V，相当于降低75%）。

这项改善带来远低于1,200V额定值的300V余量，增强了安全与稳健性。客户可以用现有封装更快速地进行切换，或采用Wolfspeed的功率模块等进阶封装解决方案实现更高的效能。

Gen 4技术改善了硬开关应用的效能，EON和EOFF降低多达15%，同时，软切和硬切应用中的导通损失也得到缓解，工作温度下的RSP降低21%（具有优异的175 °C RDS(on)）。

4. 减少EMI的挑战：从图2的比较中可以看出，Gen 4 MOSFET的另一项优势在于反向恢复操作之后的振荡减少。相较于Gen 3，更平缓的波形可将共模电压及辐射发射量降至最低，简化电磁干扰（EMI）滤波器设计。

降低杂讯可以简化需要高速切换的系统开发，同时克服EMI挑战。对于从Gen 3转换过来的客户，Gen 4提供简单的升级路径，在波形操作上和系统设计灵活性方面有显着的改善。

专为承受最严苛环境而设计

1. 宇宙射线可靠性：在山区运行的电动车（EV）或飞机上等高海拔应用，会面临宇宙射线引起的单次事件烧毁风险。这些因中子通量（每单位时间中子撞击半导体的数目）引起的事件，可产生汲极至源极电流（IDS）流，可能导致不良后果。

Gen 4 MOSFET的设计具有强化的抗扰性，与前几代相比，宇宙射线失效（FIT）率降低达100倍。可靠性的提升能减少对过电压降额的需求，达到更有效率的系统设计。此外，Wolfspeed裸芯片产品组合适用于 185 °C的持续运行，以及200 °C在于一定下时间的运行，可以承受过载和过压事件。

2. 短路耐受时间：短路耐受时间是马达驱动器和牵引系统的关键参数，可确保故障时安全关机。Gen 4技术支持与现有栅极驱动器技术兼容之高达两微秒的耐受时间（2.3μs），同时不影响RDS(on)效能。这种强健性和效率的组合使Gen 4 MOSFET成为需要严苛之操作条件的最佳选择。

如此一来，可以扩大安全操作区域（SOA），确保效能稳定。让设计上能够减少半导体的使用量，降低成本，同时不影响安全性。

3. 高频率软开关应用：在软开关操作中，例如用于车载充电器和工业电源供应器中第二功率级的超高频率DC-DC转换器，其设计与硬开关前级不同。切换损耗在本质上已经降至最低或消除，因此导通损耗为主要的损失。通常，我们在前级有一个硬开关主动功率因数修正（PFC）器，而后面接着是软开关DC-DC转换器。

此转换器通常采用如LLC、CLLC、相移全桥或双主动桥等拓扑。在此类设计中，尽管元件仍需耐受高di/dt 和dv/dt应力，并处理高谐振电路电流，但切换损耗已较不重要。

软开关应用的主要优势在于透过RSP的改善来减少导通损耗。导通损耗的减少适用于整个负载范围，这对于具有效率要求的应用尤其有益，例如能源之星标准。许多这类的电源供应器都必须符合不同负载条件下的高效率规定，例如符合服务器电源供应器的80 Plus Titanium效率等级。

系统成本和开发时间优势

第四代Wolfspeed碳化矽MOSFET在降低系统成本和提升开发速度方面具有显着优势。透过改善传导和切换效率，这些特性让设计系统上能够使用更小、更轻和更便宜的元件，例如散热片、EMI滤波器和磁性元件。

凭藉卓越的RSP效能，在相同的体积内可以实现多达30%的较高功率输出，进而达到更高的功率密度，而无需额外的体积。

强化的稳定性及可靠性，包括降低对宇宙射线等环境因素的敏感度，让设计师能够使用较低的安全余量，进一步最大限度地减少所需的半导体材料。此外，Gen 4 MOSFET的兼容性简化了现有使用者的转换，减少重新设计所需的作业。

如图5所示，Gen 4的体二极管柔和系数提升了3.5倍：MOSFET在反向恢复情况下有效地将EMI降至最低，在不牺牲 QRR的情况下提供更平缓的操作。在高达600：1的电容比支持下，即使处于高dv/dt的环境，切换仍能安全又乾净，可消除寄生参数产生的过冲电压风险，并确保于严苛条件下维持可靠的系统性能。这些改善让开发人员能够在缩短的开发时间内，达到最佳化的系统性能，同时满足严格的效率和可靠性。

功率封装最佳化  最大限度地提升Gen 4技术优势

Wolfspeed持续关注客户需求，并透过封装策略实现系统耐用性、效率和功率密度。先进的封装更进一步强化了Gen 4技术的优势，增进散热管理效能，并确保在功率和温度等严苛循环条件下体现高耐用性。

1. 先进封装可将效率和功率密度最大化：碳化矽元件具有高切换速度和热性能，突破了传统矽基电源封装的限制。传统设计经常受到寄生电感影响，导致电压过冲、震荡及闸极氧化层受损。这些问题皆会影响效率，且需要在设计上进行高成本取舍。

针对碳化矽量身打造的先进封装技术，可将电源、闸极和共享源级回路中的寄生电感降至最低，提升效率、降低切换损耗，且能够使用较低额定的碳化矽元件。双面冷却和紧凑布局等功能支持更高功率应用、热控制和更高的切换频率，发挥出碳化矽在可靠及节能系统方面的全部潜力。

将功率模块的电感降至最低，可减少电压震荡，确保切换的乾净度并增强效率。内部打线和芯片贴合等创新技术可将电感降低至5nH 的程度，进而降低切换损耗并稳定系统性能。

2. 先进封装可强化系统的可靠性和耐受性：创新的内部接合方式对于改善功率模块效能来说十分重要。传统的线材连接已经被顶部接合进阶技术取代，可提供更低的电阻、更佳的热能管理，以及强化的机械结构。直接焊接或烧结到裸芯片上的铜材，能改善电流和连接强度。

银烧结是一种先进的裸芯片附着技术，可在裸芯片与氮化矽等基板之间形成坚固的接合，确保具有优异的导热性和结构耐久性。这种方法越来越常用于需要高功率和高热循环的场域。

随着功率密度提高，有效的热能控管也相形重要。直接冷却的解决方案，例如将鳍片浸入冷却剂中的针脚鳍片设计（如图四），可有效地从裸芯片散热。这些方法让碳化矽元件能够在高温下维持高性能，尤其是在汽车系统中。

可靠性在汽车功率模块中至关重要，其必须符合AEC-Q101和AQG324等严格标准。先进的材料和制程，可解决如高湿度渗透和线材接合处退化等会造成失效的机制。例如，环氧树脂模具化合物正在逐渐取代凝胶型封装剂，其方式提供优异的防潮性和结构完整性。增强的压装针型管脚技术可支持PCB连接并有更高电流容量，其采用紧凑且高功率的设计。

关键要点和结论

全新的Gen 4碳化矽技术透过平衡导通损耗、切换性能和耐用性，在电力电子技术领域向前迈出了重要的一步。与其他专注于室温 RDS(on)的制造商不同，Wolfspeed将在实际运行条件下，以实现最高的电路价值第一要件。

新平台将为系统提供功率模块、分立器件和裸芯片产品最佳化并为长期发展蓝图奠定基础，从电动车、工业马达驱动器，到AI服务器、数据中心电源供应器、再生能源系统和航空电子设备等产业均能受益。

在EV中，较低的导通损耗可延长电池续航力，而在工业马达驱动器中，更高的效率可降低能源使用和冷却成本。

在马达驱动器和电网功率转换器等硬开关应用中，改善的切换特性能实现更高的切换频率或更高的效率，进而减少系统尺寸和成本。更低的切换损耗也简化了散热设计，并提升功率密度。增强的反向恢复特性可减少EMI，简化滤波器设计，同时解决宇宙射线所引发之单次烧毁事件等可靠性挑战。

Gen 4 MOSFET具备两微秒短路耐受时间，确保在故障期间能安全运行，并与目前的栅极驱动器技术兼容。在高频DC-DC转换器等软开关操作上，降低的导通损耗可提高符合80 Plus Titanium标准之AI服务器电源等系统的效率。再生能源系统受益于提升的效率和更灵活的散热器设计、减少维护成本并提高可靠性。

航空电子和eVTOL飞行器等新兴应用，重视MOSFET的密度和体积、效率和强健性能。Gen 4器件专为弹性整合而设计，可将效能或可靠性最佳化，在确保优异效果的同时，满足产品多样化的需求。

从一开始，Gen 4就是为先进的200mm技术而设计的。Wolfspeed已建立全球第一座，也是规模最大的 200mm碳化矽制造厂。这座最先进的晶圆厂，让Wolfspeed站在整个产业从矽基半导体过渡到碳化矽基半导体的最前线，有望大幅提升下一代技术的能源效率和性能。

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