SiC MOSFET 正沿着 IGBT 当年走过的技术路径演进:从平面栅结构向沟槽栅结构切换,是功率器件行业当前最明确的关键技术拐点。参照 IGBT 的历史,沟槽型结构是终极目标,而罗姆的 2G 平面栅(DMOS)到 3G 沟槽栅(UMOS)的迭代,以及特斯拉在 Model 3 上的率先应用与后续召回事件,共同勾勒出这一技术路线切换的完整图景。
从平面到沟槽:技术演进的必然方向
碳化硅 MOSFET 在应用之初,和 IGBT 一样采用平面结构。随着技术导入,设计上逐步从平面栅(Planner Gate)转向沟槽栅(Trench Gate)。参照 IGBT 的发展历史,沟槽型是这一技术路径的终极目标。
以罗姆的产品迭代为例,其 2G SiC-MOSFET 采用平面栅(DMOS)结构,3G 则切换为沟槽栅(UMOS)。在导通电阻(RonA)这一关键指标上,沟槽栅相比平面栅实现了显著优化——1200V 等级从 8.2mΩ·cm² 降至 4.1mΩ·cm²,650V 等级从 6.5mΩ·cm² 降至 3.1mΩ·cm²,几乎减半。
当前,克里(Cree)、意法(STM)、安森美(ON)的产品以平面型为主,罗姆(Rohm)与英飞凌(IFX)则已推出沟槽型产品。行业普遍预期,其余厂商也将逐步转向沟槽结构。
沟槽栅的代价:可靠性考验
沟槽型结构的短板在于可靠性。沟槽结构会使氧化层变得脆弱,能否达到车规级要求,取决于工艺的持续进步。英飞凌虽声称其结构与其他厂商不同并已完成多项可靠性测试,但碳化硅的封装难度远大于 IGBT,最终仍需经过车厂的验证周期。
特斯拉的案例是这一考验的缩影。2018 年,特斯拉率先在 Model 3 上使用碳化硅模块,成为应用标杆。但随后其因“后电机逆变器功率半导体元件异常”召回部分 Model 3,有观点认为这很可能与碳化硅衬底一致性问题导致的参数漂移有关。这一事件在一定程度上表明,碳化硅产品仍不够稳定,还需要更多可靠性试验。
常见问题
沟槽栅相比平面栅的核心优势是什么?
核心优势在于导通电阻(RonA)的大幅降低。以罗姆为例,从 2G 平面栅到 3G 沟槽栅,1200V 与 650V 两个电压等级的 RonA 均实现约一半的缩减,有助于降低导通损耗。
为什么沟槽栅尚未完全取代平面栅?
主要受限于可靠性。沟槽结构会使氧化层变得脆弱,车规级应用对可靠性要求极高,能否达标取决于工艺进步与车厂验证。因此,行业从平面到沟槽的演进仍需时间。
特斯拉在 SiC MOSFET 应用中扮演什么角色?
特斯拉是 SiC 应用的标杆。2018 年率先在 Model 3 上采用碳化硅模块,并自主设计 TPAK 封装、外采多家厂商芯片。其后续的召回事件也提醒行业,SiC 的可靠性验证仍是成熟过程中的关键环节。