Wolfspeed：高效率和耐久性为成本优化的系统提供重要价值

碳化硅 (SiC) 技术是功率器件市场和更广泛的半导体行业中发展最为迅速的板块之一。作为硅的卓越替代品，在满足对大功率应用（例如，电动汽车动力总成、电动交通工具、可再生能源系统、电池储能系统和 AI 数据中心）日益增长的需求方面，碳化硅是理想选择。

碳化硅相比于硅具有众多关键优势，其中之一在于材料特性优越，如更高的击穿电压和热导率，这有助于制造商在越来越小的电力电子系统中实现更高的功率密度。特别的一点是，碳化硅器件具有更高的功率转换效率和可以耐受更高的工作温度，因此尤其适合数据中心电源、太阳能/可再生能源逆变器、电动汽车牵引逆变器和电源。

Wolfspeed 作为碳化硅材料与器件领域的领先制造商，正式发布了第 4 代碳化硅 MOSFET 技术平台。该平台通过优化开关特性，针对性解决了高功率设计中普遍存在的效率瓶颈与热管理难题。第 4 代平台提供 750V、1200V 和 2300V 电压等级，为 Wolfspeed 的产品类别（包括功率模块、分立元件及裸芯片）谱写了长期路线图。

“作为职业工程师，我亲身体会到，能够为一种器件或技术提供全新或更佳的品质因数非常令人振奋。也正因此，这种致力于钻研解决问题的精神推动着几乎所有工程师和科学家不断奋进，” Wolfspeed 功率器件副总裁兼研发负责人 Adam Barkley 博士表示。 “但作为 Wolfspeed 的技术开发负责人，我的工作是确保将研发投资集中在帮助客户有意义地解决面临的实际应用挑战上。因此，全新第 4 代技术令我倍感自豪：可以直接改进客户系统的开关波形和效率曲线。”

他表示，第 4 代平台是市场上率先为大批量生产而开发的平台，采用全自动 200mm 技术。更重要的是，Wolfspeed 不仅专注于提升其中一个品质因数，第 4 代平台还解决了工程师日常努力应对的三大关键问题：耐久性、整体系统效率和更低的系统成本。

“我们致力于在这三个方面实现有意义的改进，因为我们知道，每个客户的设计或开发周期都会受到这些系统要求的限制，即使不是全部，至少也会受到其中一个的限制，” Barkley 博士表示。在公司任职近 15 年的时间里，Adam Barkley 曾担任多个应用工程、研发芯片和封装开发职位，对日常真正的功率系统设计挑战有着切身的深入理解，并对解决此类挑战充满热情。

全新一代性能

Wolfspeed 的第 4 代碳化硅 MOSFET 平台旨在全面提高系统效率、延长应用寿命，即使在最恶劣的环境中也不例外，同时有助于降低系统成本、缩短开发时间。Barkley 博士表示，他们专注于具体的品质因数和器件性能规格，助力实现上述目标。

“我来给大家举几个示例，” 他解释道。 “为了提高系统耐久性，我们选择将重点放在最大限度地延长短路耐受时间上，以便为设计工程师提供额外的安全裕度。在某些汽车应用中，系统需要被推向极限——即在极短的操作生命周期内，持续运行于最大安全工作区间，并承受过载或过压工况的严苛考验。对于此类特定应用用例，我们的芯片产品经过了认证，可以在 185°C 下连续运行，并能够在 200°C 下进行有限寿命的运行。”

软恢复体二极管的 V_DS 过冲降低 27%，因此实现了更快的开关速度，同时减少了损耗和振铃。除此之外，还在反向恢复场景中最大限度减少了 EMI，无需权衡本体二极管恢复电荷，从而简化了 EMC 合规流程，同时实现体积更小、成本更低的 EMI 滤波器。

“我必须提一下我们在宇宙射线抗扰度方面实现的改进；与 Wolfspeed 第 3 代器件相比，失效率即 FIT 降低到了 1/100，” Adam Barkley 表示。他补充道，还在常规开关行为期间的整体效率方面取得了重大改进。

“我们的第 4 代产品改进了硬开关和软开关应用的导通损耗。硬开关应用的开关损耗降幅达 15%，从中获益良多。该平台具有出色的 175°C RDS[g1]ON[/g1]，有助于降低导通损耗，再加上同时实现的这些增强功能，进一步巩固了 Wolfspeed 在各种操作条件下的性能承诺。”

Wolfspeed 的第 4 代平台几乎能够实现各种关键应用。据 Barkley 博士称，这项技术将成为 Wolfspeed 长期研发路线图的新基石，围绕应用优化的功率模块、分立器件及裸芯片解决方案构建技术生态。

“这使我们的客户能够灵活提出定制化产品需求，优先考虑针对其特定应用场景优化的性能优势，而非基于开发平台限制的艰难取舍。无论您是致力于电动汽车、电机驱动、能源储存、面向人工智能的数据中心，还是可再生能源应用的电源相关工作，我们认为第 4 代平台都可以为您带来优势。”

应对行业挑战

Wolfspeed 的第 4 代技术旨在解决客户在耐久性、效率和系统成本方面所面临的种种挑战。Wolfspeed 明确指出了耐久性和可靠性之间的区别，并提供了现实示例。

“本质上，可靠性是指能够始终如一地通过行业定义的一系列标准化测试，” Adam Barkley 解释道。 “而耐久性则大不相同。我想到了两个现实的示例：第一个例子，建筑和农业领域的原始设备制造商（OEM）正在向电气化转型，但他们需要应对一些具有挑战性的运行环境。Wolfspeed 与一家该领域的 OEM 厂商展开合作。他们深知其电动机械设备将在北半球高纬度地区的收获季投入使用且必须耐受极端低温。就其实质而言，当春季和夏季来临，工人们重返田间时，他们需要确保这些碳化硅基逆变器在零下 40 摄氏度的常态环境中闲置一段时间后仍能 ‘重新启动’。由于设备在移动土壤时必须承受巨大工作负荷，测试要求变得极其严格。对于电力电子设备制造商而言，这正是深入思考关键 MOSFET 可靠性及全温度范围内电气性能需求的契机。毕竟，仅凭室温参数的数据表对比已无法满足众多应用场景的需求。”

另一个示例涉及不间断电源 (UPS)。Wolfspeed 一家生产 UPS 的客户正在受到人工智能飞速发展的影响。

“他们正在重新设计所运营数据中心的内部布局，然后进行扩建；在某些情况下，必须考虑移动 UPS 的实际位置，以便为服务器机架腾出空间。我们都知道，数据中心的冷却至关重要，这也是碳化硅成为数据中心电源理想材料的其中一个原因，” Barkley 博士表示。

他指出，这家客户开始研究功率元件的硫耐久性，因为他们知道，一些电源设备必须放置在整个建筑物内硫含量较高的地方，以便优化数据中心布局。“我认为不仅仅是这一种情况，” Adam Barkley 表示。“例如，经常走动区域常用的橡胶地板可能含有大量硫，因此有可能引发故障。当然，不同国家和地区的空气质量可能会有很大差异，并且可能硫含量很高。”

“虽然零下 40 摄氏度的温度看似并不那么可怕，但是就好比工程车的驾驶模式和操作场景与标准乘用电动汽车完全不同且需要更高一级的耐久性，这无疑重新定义了技术创新的挑战。而且，数据中心不仅要应对冷却要求，在某些情况下还要创造性地考虑将 UPS 放置在哪些房间，因此这些设备必须能够适应新的环境，这也使得耐久性变得更加关键。”

“幸运的是，碳化硅的固有特性确实使其在材料层面上比硅更耐用。然而，当我们考察电力电子器件如何启用（或禁用）终端系统在挑战性环境中运行的能力，而无需在最终产品的使用寿命中支付过度维修费用时，我们开始收到客户越来越多的相关问题或需求。我相信，电力电子行业在耐久性需求方面正在处于 ‘冰山一角’，能够推动这一变革令人倍感振奋。”

与硅相比，碳化硅的其中一个关键优势在于效率更高。能够突出这一特性的另一个示例是电动汽车的充电基础设施。汽车电气化是难以阻挡的全球趋势，但为了推动电动汽车的普及，电动汽车充电行业正面临着客户对大幅缩短充电时间的需求，即希望充电时间能接近传统汽车加油所需的时间。

传统的快速充电桩功率在 20-25kW 左右。“由于基础设施的约束，存在着明显的限制因素。公司不能仅仅通过将充电桩尺寸加倍来扩充充电容量，” Adam Barkley 表示。“我们的一家客户使用了我们的第 4 代碳化硅功率模块，在尺寸和外形规格相同的情况下，功率翻了一番。他们目前正在升级到 60 kW 快速充电转换器，唯一的设计改变就是采用了我们的碳化硅器件。因此，碳化硅毫无疑问可以实现更高效的应用。我们也看到了客户的使用方式：在保持外形尺寸的情况下最大限度地提高效率；在保持效率的情况下缩小外形尺寸；或者两者的某种组合。我们希望让客户自行决定他们的 ‘最佳效率点’。我们的工作是提供工具，帮助他们最大限度地提升系统性能。”

最后，成本仍将是企业向新技术转型的关键。对 Wolfspeed 而言，我们的目标是帮助客户优化系统成本，具体来说，我们通过提供更耐用的系统来最大限度地降低维护成本；通过转向新的架构和平台缩短生产时间和设计周期；并通过减少无源元件的数量或尺寸/重量来降低物料清单 (BOM)。

其中一个显著的示例是 EPC Power，该公司与 Wolfspeed 携手合作，打造出业界首款地面电站组串式逆变器，可应对多种功率和电压水平。

“从合作伊始，EPC Power 就明确表示，他们希望创建一个维护成本低、易于维修且可大规模生产的新系统，以便快速在全球部署。我只谈这个成功合作伙伴关系的其中一个方面。解决其设计挑战的关键是，在全新 ‘M’ 逆变器中采用新发布的 2300V Wolfspeed WolfPACK 模块。这一变化促使从典型的三电平架构转变为简化的两电平功率转换系统，不仅减少了栅极驱动数量，而且还降低了逆变器控制复杂性。此外，该解决方案还将系统设计从旧式的汇流排转移到成本更低的 PCB，从而大幅缩短了开发时间，并降低了成本，” Adam Barkley 解释道。

“与此同时，另一家客户能够在不需要对系统性能进行任何折中的情况下，将设计中的碳化硅净占用空间减少 30%，这对系统成本、重量和尺寸产生了积极影响，” 他补充道。

电力电子行业确实正在越来越多地转向碳化硅等宽禁带 (WBG) 器件，因为该行业致力于共同努力减少几乎所有垂直领域（如工业、数据中心和移动出行等）的碳排放。

这对于 Wolfspeed 而言是一大福音。目前，已推出一系列基于第 4 代的部件产品组合，其中包括 24 个单独的部件编号，这些部件在外形尺寸、电压节点和封装选项上各不相同，但适合几乎所有这些电力电子应用。在未来 18 个月，Wolfspeed 将面向所有产品组合发布基于第 4 代的产品，并针对单独应用进行专门产品优化。

该文章发表在 EE Times 平台