能效转换节节高，不一般的Qorvo SiC FET是怎样炼成的？在全...

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在全球能源转型的背景下，光伏和储能市场在近几年迎来爆发式增长。根据SolarPower Europe的《2023-2027年全球光伏市场展望》报告，2022年全球新增光伏装机容量为239GW，同比增长45%；2023年预计新增光伏装机容量341GW，同比增长43%。


与传统能源发电相比，光伏发电具有间歇性、波动性和随机性的特点，通过配置储能以改善用电质量、维持电网稳定，已经成为行业共识。随着光伏发电的持续发展以及渗透率稳步提升，家用/商用光储一体化成为了光伏发电的一大主流方向。在elexcon 2023同期的新时代绿色能源储能技术大会上，Qorvo高级应用工程师周虎受邀出席会议，阐述Qorvo独特的SiC产品如何在光储一体化等热门应用中发挥高能效、高可靠性的优势。

图1：Qorvo高级应用工程师周虎发表主题演讲

新型能源场景加速SiC大规模落地

周虎表示：“纵观全球市场，随着减碳目标和能源转型的推进，具有本地化储能的新型分布式可再生能源系统，或者说光伏一体化系统正在成为市场主流。这些应用场景对于户用/商用设备提出四大要求，分别是高能效、高容量与高功率、低系统成本以及长使用寿命。这些趋势推动了SiC成为光伏应用的优先选择。”

图2：具有本地化储能的分布式可再生能源系统

在光储一体化系统中，光伏逆变器是光伏发电部分的核心设备，发挥着直流-交流转换、功率控制、并/离网切换等重要功能；DC/DC变换器则是电池储能部分的核心设备，负责连接高低压直流总线，具有双向的功率传输能力，也是关乎转换效率和功率密度的重要环节。

一般来说，这些应用会采用不同的半导体开关器件，例如大功率高压级通常采用IGBT，而下游功率级则采用硅MOSFET。不过，光伏发电为了实现更高的转换效率和能效，电路设计往往需要更快的开关频率和更高的输入电压条件，IGBT和Si Mosfet由于开关速度较慢，而且前者还存在拖尾电流，因此不适合越来越高频的应用场合，SiC逐渐在这一领域脱颖而出。

毫无疑问，SiC具备诸多优势，例如SiC器件的开关频率比IGBT和MOSFET都快，可以减少开关损耗、提高转换效率；SiC器件拥有更低的栅极电荷、导通阻抗、和反向恢复电流，以及对比硅十倍以上的耐压强度等。这些特性意味着SiC器件比硅等效器件，可以在更高的电压、频率切换，可靠性也更高。此外，SiC的导热系数是硅的三倍，能够更高效地传递热量，有助于降低结温。加上制造成本的逐步下降，SiC器件顺理成章成为了新一代光伏设备的“香饽饽”。

独特Cascode架构的Qorvo SiC FET

当然，同样是SiC器件，不同厂商也有不同的技术路线。Qorvo SiC FET采用的是独特的堆叠式共源共栅（Cascode）架构，通过常开（normally-on）SiC JFET与Si MOSFET共同封装，构建出具有标准栅极驱动特性的常关（normally-off）SiCFET器件。由于驱动电压覆盖到±20V的极宽范围，Qorvo SiC FET在大多数场景下可以直接替代已有的Si IGBT、Si MOSFET、SiC MOSFET，显著提高系统性能，涵盖目前的绝大部分应用范围，具有很强的适应性。

图3：不同技术的SiC功率器件结构对比

目前，Qorvo SiC FET拥有在相同封装下的SiC device领域最低的RDS(on)，这很大程度得益于Qorvo具有全球专利的JFET技术。

“SiC JFET跟传统的SiC MOSFET相比，没有栅极氧化层的结构，且D-S之间没有寄生输出电容。从芯片结构上来讲，相比传统的SiC Mosfet，Qorvo的SiC FET少了一个Channel resistance（沟道电阻）。这也意味着相同的芯片尺寸和封装，Qorvo的产品能够实现更低的导通阻抗。”Qorvo高级应用工程师周虎表示：“SiC生成氧化层一直是业界的难题，像SiC MOSFET一般采用离子注入法，但注入之后容易形成空泡，导致氧化层的附着度变低。附着度变低，也就意味着可能存在剥落的风险。而一旦栅极氧化层发生剥落，轻则参数性能改变、重则整个SiC器件失效，这显然是无法接受的。Qorvo独特的JFET技术从根本上解决了这个问题。另外，根据光伏领域的客户反馈，使用Qorvo SiC FET比一般的SiC MOSFET提高了0.4%的系统效率，这是非常亮眼的表现。”

不仅如此，Qorvo SiC FET的高频开关性能也是属于业界一流水平。事实上，SiC MOSFET本身的开关频率已经比硅器件高，而Qorvo SiC FET的开关频率比一般的SiC MOSFET还要高，这样可以有效减小变压器的尺寸和减少母线滤波电容的容量，从而降低系统成本。Qorvo也进一步推出表面贴装封装（SMT）的SiC FET，通过自动化组装降**造成本，特别是在10-50kW的新型能源系统中，只有使用SiC FET才能满足SMT封装下的超低RDS(on)要求。

至此，为了满足新能源汽车、光伏发电、储能、轨道交通等领域的广泛需求，Qorvo推出了丰富的高耐压650V/750V/1200V/1700V和6种封装方式的SiC FET产品组合，且大多数已通过AEC-Q101车规级认证，客户可根据特定的热力工况和运行条件进行混合搭配。

周虎表示：“Qorvo在聚焦光伏储能领域之外，也在积极介入新能源汽车市场，同时不断扩大中国的工程师支持团队，帮助客户更好地将SiC FET技术结合到自身的实际应用，最终赋能双碳目标的实现。”

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