碳化硅（SiC）是碳和硅的化合物，碳化硅單晶材料目前采用物理氣相輸運（PVT）法，在超過2000℃的高溫下，將碳粉和硅粉通過高溫分解成原子，通過溫度控制沉積在碳化硅籽晶上形成碳化硅晶體。
碳化硅是第三代寬禁帶半導體材料，與硅（Si）相比，碳化硅的介電擊穿強度更大、飽和電子漂移速度更快且熱導率更高。因此，當用于半導體器件中時，碳化硅器件擁有高耐壓、高速開關、低導通電阻、高效率等特性，有助于降低能耗和縮小系統尺寸。
目前碳化硅在電動汽車、逆變器、軌道交通、太陽能和風力發電上廣泛應用。隨著USB PD快充技術的普及和氮化鎵技術的成熟，大功率快充電源市場逐漸興起，碳化硅二極管也開始在消費類電源市場中嶄露頭角，被部分100W大功率氮化鎵快充產品選用。
在大功率快充電源產品中，碳化硅二極管搭配氮化鎵功率器件，可以將PFC級的工作頻率從不足100KHz提升到300KHz，由此減小升壓電感體積，實現高功率密度的設計，同時產品的效率也達到了大幅提升，成為大功率電源產品的核心競爭力。因此，碳化硅在消費類電源領域的關注度越來越高。
今天這篇文章將圍繞碳化硅在USB PD快充電源中的應用展開分享。
一、PFC電路在安規中的重要性
開關電源中，由于整流后采用大容量的濾波電容，呈現容性負載，而在電容充放電時會使電網中產生大量高次諧波，產生污染和干擾，人們開始在開關電源中引入PFC電路，功率在75W以上的開關電源強制要求加入PFC電路以提高功率因數，修正負載特性。
PFC分為被動式和主動式兩種。被動式采用大電感串聯補償，主要缺點是體積大，且效率低。隨著近年來半導體器件迅猛發展，被動式PFC被主動式PFC全面取代。主動式PFC采用PFC控制器、開關管、電感和二極管組成升壓電路，具有體積小，輸入電壓范圍寬，功率因數補償效果好的優點。
主動式PFC通過控制器驅動開關管升壓、二極管整流為主電容充電，根據電壓電流之間的相位差進行功率因素補償。
二、碳化硅應用于PFC電路優勢
隨著業界對電源功率密度的追求，以及氮化鎵功率器件的普及，主動式PFC需要提高工作頻率來減小磁芯體積，此時常規快恢復二極管的性能已經不能滿足高頻下整流需求，這為碳化硅二極管在PFC上的應用創造有利條件。
安森美基于Si的超高速二極管。
Alpha Power基于碳化硅的二極管。
SiC二極管相對于Si二極管有如下的優點：
沒有反向恢復電流，反向恢復時間極短，應用中沒有反向恢復尖峰，在CCM模式下具有很強的優勢，硅二極管反向恢復電流的峰值相當可觀，有的甚至會數倍于正向電流，這不但會增加二極管的損耗，也會引起較大的EMT（電磁干擾）。
當頻率升高時，關斷和導通頻繁，損耗就更加嚴重，如果二極管反向恢復時間過長，而頻率過高的話，反向恢復階段還沒結束，下一個脈沖又到來，則二極管在正、反向都可導通，失去了二極管最基本的特性，起不到開關作用。二極管完全無法工作。
所以二極管反向恢復電流和恢復時間的存在會限制開關電源的開關頻率，無法進一步小型化。高頻整流電路中要選擇反向恢復電流較小、反向恢復時間較小的整流二極管。另外反向恢復電流在CCM電流連續模式下，會對開關管造成很大的威脅。反向恢復的電壓會反射到開關管上，使開關管的應力增加，損耗增大。
SiC的臨界擊穿場強是Si的10倍左右，這意味著SiC具有更高的電壓耐受，耐壓等級可達到3300V以上，適用的場合更廣泛，在相同功率下SiC的尺寸可以做到更小。另外器件的導通電阻更小，高壓損耗低。
SiC二極管的禁帶寬度是硅管的三倍，有更高工作溫度，硅管在150～175℃之后，可靠性和性能指標明顯下降。而且SiC二極管的性能基本不受結溫的影響，最高工作溫度175℃ 依舊可以可靠運行。
碳化硅材料導熱率高，是硅的3倍，導熱率高，器件熱傳導能力越強，溫升就會小，壽命更長。一減少散熱介質的體積，簡化冷卻系統的設計和成本。二可以工作在更高的環境溫度下，穩定性更高，維護成本降低。三相同尺寸的器件功率密度會更高。
SiC電子飽和漂移速度是硅的2倍，同時沒有反向恢復電流的優點，決定了SiC二極管可以工作在更高的工作頻率。整個系統的體積，成本會隨著開關頻率的的提高而減小。
SiC材料抗輻射能力高，抗中子輻射能力至少是硅的四倍，適用于特殊場合的產品中。
三、有哪些大功率快充導入了碳化硅
碳化硅憑借其獨特的屬性，已經開始在大功率、高密度快充電源中嶄露頭角，獲得眾多電源工廠青睞。充電頭網通過往期的拆解了解到，目前已有倍思120W快充、MOMAX 100W 快充，以及REMAX 100W快充內置了碳化硅，從而實現了更高的功率密度。
2020年2月25日，倍思推出全球第一款氮化鎵+碳化硅 (GaN+SiC) 充電器，并在kickstarter眾籌成功。該產品功率高達120W，并且同樣搭配2C1A多口輸出配置。倍思Galio 120W充電器中使用的氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）是目前最為先進的電子半導體材料，它們具有高頻率特性在高電壓大電流傳輸方面具有優勢，這意味著可以達到更高的效率，更低的發熱量和更小的體積。
據了解，倍思Galio 120W充電器在PFC整流電路中采用了一顆來自Alpha Power的碳化硅二極管，產品型號：ACD06PS065G；搭配納微氮化鎵功率器件，由安森美PFC控制器進行主動式功率因數校正。
摩米士100W 2A2C氮化鎵充電器機身方正扁平，配備可折疊插腳，而且從插腳設計來看，還支持組裝其它規格插腳，便攜且適用于各個地區。充電器支持QC、AFC、FCP、SCP、MTK PE+2.0、PD和PPS快充協議，并將兩類接口設計成支持盲插使用，用戶無需刻意尋找快充接口，使用方便。接口支持100W、65W+30W、華為22.5W快充，支持廣泛，實用性強。整個產品集便攜、易用于一身。
MOMAX這款充電器采用美浦森MSD06065V1碳化硅二極管配合英諾賽科INN650D2氮化鎵開關管以及恩智浦PFC控制器進行主動功率因數校正。據了解，美浦森MSD06065V1是一顆650V耐壓的碳化硅肖特基二極管，TO252封裝。
REMAX 100W 2A2C氮化鎵充電器采用白色機身殼，表面啞光處理，整體看去非常簡潔。充電器配有2A2C共4個接口，支持多種常見快充協議，USB-C口和USB-A口分別具備單口最大100W和30W輸出，并支持多口同時快充，可以滿足筆記本電腦、手機、平板、移動電源等多種設別的充電需求。
充電頭網通過拆解了解到，這款充電器內置PFC升壓電路，采用LLC+GaN高性能架構。PFC升壓部分采用恩智浦控制器，并選擇美浦森MSD04065G1碳化硅二極管以及英諾賽科INN650D2氮化鎵開關管進行整流。美浦森MSD04065G1是一顆650V耐壓的碳化硅肖特基二極管，TO252封裝。
四、市面上有哪些碳化硅二極管廠商
充電頭網通過調研了解到，目前市面上可用于大功率USB PD快充電源領域的碳化硅有四家供應商，分別是Alpha Power Solutions創能動力、Global Power泰科天潤、Maplesemi美浦森以及PY平偉。下面就為大家分別介紹這幾家碳化硅廠商的產品與應用案例。
Alpha Power Solutions創能動力
Alpha Power Solutions (APS) 成立于2017年，2019年總部由香港遷至上海，是國內首家成功開發出碳化硅6英寸晶圓制造技術的企業，結合專有的關鍵SiC工藝，專注于制造大功率SiC器件。截至目前，公司已開發出三十多種產品，自主擁有發明和應用專利逾30項?，F有業界領先的量產SiC二極管產品，其最高電壓至3300V, 電流最高至50A。
Alpha Power Solutions是國內第一家在硅晶圓代工廠成功試產6英寸碳化硅晶圓的公司；國內第一家在碳化硅二極管生產上采用Thinning Technology工藝 的公司；國內第一家擁有自主專利的JBS架構（Buffer JBS）；國內第一家在產品性能和品質上向國際廠家看齊的碳化硅器件供應商。
1、Alpha Power Solutions ACD06PS065G
Alpha Power Solutions ACD06PS065G，屬于工業級器件，耐壓650V，額定電流6A，正向壓降1.5V，最大連續電流18A，DFN8*8封裝，可用于太陽能逆變器，AC/DC轉換器，DC/DC轉換器和不間斷電源等。
應用案例：
Global Power泰科天潤
泰科天潤半導體科技（北京）有限公司是中國碳化硅（SiC）功率器件產業化的倡導者之一。泰科天潤致力于中國半導體功率器件制造產業的發展，并向全球功率器件消費者提供優質的半導體功率器件產品和專業服務。
泰科天潤在北京擁有一座完整的半導體工藝晶圓廠，可在4/6英寸SiC晶圓上實現半導體功率器件的制造工藝。作為國內碳化硅研發生產和平臺服務型公司，泰科天潤的產品線涉及基礎核心技術產品、碳化硅成型產品以及多套行業解決方案。目前泰科天潤的碳化硅器件650V/2A-100A、1200V/2A-50A、1700V/5A -50A、3300V/0.6A-50A等系列的產品已經投入批量生產，產品質量完全可以比肩國際同行業的先進水平。泰科天潤通過與產業同行、科研院所、國內外專家共同探索與開發，正在將SiC功率器件推廣到更多更廣的應用領域。
1、泰科天潤G5S06506QT
泰科天潤G5S06506QT具備正溫度系數，易于并聯使用；不受溫度影響的開關特性；最高工作溫度可達150℃；同時具有零反向恢復電流、零正向恢復電壓的特性。G5S06506QT是一顆單極器件，極大降低開關損耗，并聯器件中沒有熱崩潰，降低系統對散熱片的依賴。適用于開關模式電源（SMPS），功率因數校正（PFC）；電機驅動、光伏逆變器、不間斷電源、風力發動機、列車牽引系統、電動汽車等領域。
2、泰科天潤G5S06506ZT
泰科天潤G5S06506ZT具備正溫度系數，易于并聯使用；不受溫度影響的開關特性；最高工作溫度可達175℃；同時具有零反向恢復電流、零正向恢復電壓的特性。G5S06506ZT是一顆單極器件，極大降低開關損耗，并聯器件中沒有熱崩潰，降低系統對散熱片的依賴。適用于開關模式電源（SMPS），功率因數校正（PFC）；電機驅動、光伏逆變器、不間斷電源、風力發動機、列車牽引系統、電動汽等領域。
Maplesemi美浦森
美浦森半導體成立于2014年，是一家集研發、設計、生產、銷售和服務為一體的完整型產業鏈公司，國家級高新技術企業,主營功率MOS、中低壓MOS、超結MOS、碳化硅MOS、碳化硅二極管等系列產品。
美浦森半導體專注于設計、開發、測試和銷售基于先進的 Planar VDMOS、Trench MOS、SJMOS、SiC SBD、SiC MOS等工藝結構的功率器件產品。以消費類電子、工業領域、新能源領域等為市場目標，致力成為世界一流的功率元器件公司。
碳化硅具有175℃的最高工作溫度，同時導熱性是硅的數倍，可以降低散熱需求，并提高功率，在充電器應用可減小散熱，提高功率密度，適用于開關電源、PFC、馬達驅動和氙氣燈應用。
應用案例：
（2）LLC+GaN高性能架構：摩米士100W 2A2C氮化鎵快充拆解
PY平偉
重慶平偉實業股份有限公司是一家集芯片設計、封測、應用與可靠性檢測服務一體化的功率半導體IDM產品公司。公司以功率半導體器件為產業基礎，面向智能終端、工業控制、物聯網、新能源汽車、5G通訊、家電、衛星互聯網、安全電子、綠色照明等市場領域，建立了產品開發、制造和測試平臺，提供高可靠性的中低壓和高壓功率器件、模塊等產品和系統解決方案。
公司位于重慶市梁平工業園區，專業生產各類半導體器件，包括整流二極管、快恢復二極管、TVS、齊納二極管、肖特基、整流橋、MOSFET、IGBT、同步整流器件、SiC及GaN器件等，占地面積24萬平方米，注冊資金3.5億元，總投資超過15億元。公司擁有45條封裝生產線和6條中試生產線，建設有自主可控半導體離散型智能制造車間，年產銷各類功率半導體器件200億只，是國內最大的電源配套功率半導體器件綜合供應商。
1、平偉PASC0665GG
平偉PASC0665GG是一款650V肖特基二極管，具有零反向恢復/零正向恢復、高效運行、切換速度極快、不受溫度影響的開關特性。適用于開關電源、功率因數校正電路、太陽能逆變器、不間斷電源等領域。
充電頭網總結
使用SiC代替傳統Si二極管的優勢在于效率提高，更符合節能減排的要求、可靠性提高，維護成本降低、產品尺寸更小，成本進一步降低，使產品更具有競爭力。
在氮化鎵快充適配器中應用碳化硅二極管，利用碳化硅二極管的極短反向恢復時間優勢，配合氮化鎵的高速開關特性，可以提高PFC級的開關頻率，使用更小體積的電感滿足輸出功率。從而提高適配器功率密度，滿足大功率適配器的小體積要求。
碳化硅材料作為第三代半導體，目前已有多家廠商投產，在諸多場合取代傳統快恢復二極管，提高了電動汽車、逆變器、軌道交通、太陽能和風力發電上的效率和可靠性。如今引入大功率氮化鎵適配器中，為大功率、高密度PD快充的普及更增添一份力量。
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