不久前，SiC和GaN器件的應(yīng)用還被認(rèn)為是困難的，但到了2018年，這些技術(shù)的優(yōu)勢(shì)開始被應(yīng)用到現(xiàn)實(shí)生活中。這項(xiàng)新技術(shù)成功背后的原因是什么？

SiC 和 GaN 被稱為寬帶隙 (WBG) 半導(dǎo)體，因?yàn)閷⑦@些材料的電子從價(jià)帶炸開到導(dǎo)帶所需的能量：而在硅 (Si) 的情況下，該能量為 1.1 eV， SiC 為 3.3 eV，GaN 為 3.4 eV。這導(dǎo)致更高的適用擊穿電壓，在某些應(yīng)用中可達(dá)到 1,200 至 1,700 V。由于所使用的生產(chǎn)工藝，WBG 設(shè)備具有以下優(yōu)勢(shì)：

非常低的內(nèi)部電阻，與硅等效器件相比，效率提高高達(dá) 70%

低電阻提高了熱性能（隨著最高工作溫度的增加）和散熱，以及可獲得的功率密度

與 Si 等效器件相比，散熱優(yōu)化允許使用更簡單的封裝、顯著減小的尺寸和更輕的重量

非常短的關(guān)斷時(shí)間（在 GaN 的情況下接近于零），允許使用非常高的開關(guān)頻率以及達(dá)到的較低溫度

經(jīng)典電力電子設(shè)備中使用的所有類型的設(shè)備都可以使用 WBG 設(shè)備制造。此外，經(jīng)典的硅器件在許多應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)達(dá)到了極限。鑒于這些前提，很明顯 WBG 技術(shù)是電力電子未來的基礎(chǔ)，并為各種應(yīng)用領(lǐng)域的新可能性奠定了基礎(chǔ)。

SiC 和 GaN 的區(qū)別
每種類型的器件，無論是硅器件還是新型 WBG，都根據(jù)應(yīng)用類型所需的功率和頻率性能擁有其市場(chǎng)份額。

盡管在概念層面有相似之處，但 SiC 和 GaN 組件不能相互互換，而是根據(jù)它們?cè)谄渲羞\(yùn)行的系統(tǒng)內(nèi)的使用參數(shù)而有所不同。

特別是，SiC 器件可承受更高的電壓，高達(dá) 1,200 V 或更高，而 GaN 器件可承受更低的電壓和功率密度；另一方面，由于 GaN 器件的關(guān)斷時(shí)間幾乎為零（與 Si MOSFET 的 50 V/s 相比，電子遷移率高，因此 dV/dt 大于 100 V/s），這些可以是用于非常高頻的應(yīng)用，具有前所未有的效率和性能。這種理想的積極特性可能會(huì)帶來不便：如果組件的寄生電容不接近于零，則會(huì)產(chǎn)生數(shù)十安培數(shù)量級(jí)的電流尖峰，這可能會(huì)導(dǎo)致電磁兼容性測(cè)試階段出現(xiàn)問題。

由于采用 TO-247 和 TO-220 的可能性，SiC 器件在所使用的封裝上具有進(jìn)一步的優(yōu)勢(shì)，這允許用新的 SiC 器件快速替換 IGBT 和 MOSFET，而 GaN 器件使用 SMD 封裝（即更輕更小，但歸入新項(xiàng)目）。

另一方面，這兩種器件的一個(gè)共同挑戰(zhàn)與柵極驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)和構(gòu)造有關(guān)，能夠充分利用組件的特定特性，并注意寄生組件（在為了避免較弱的性能）和適用電壓水平（希望類似于用于驅(qū)動(dòng)經(jīng)典硅組件的電壓）。

在成本方面，SiC 器件現(xiàn)在更便宜且更受歡迎，因?yàn)樗鼈兪窃?GaN 之前制造的。然而，不難想象，成本只是部分與生產(chǎn)過程有關(guān)，與市場(chǎng)需求有關(guān)，這就是價(jià)格可能趨于平緩的原因。

由于 GaN 襯底的生產(chǎn)成本較高，使用GaN “通道”的器件具有 Si 襯底。最近幾個(gè)月，瑞典林雪平大學(xué)與其衍生公司 SweGaN 合作，按照使用 SiC 襯底和新晶圓生長工藝（稱為變形異質(zhì)外延，可防止結(jié)構(gòu)缺陷的存在）的想法進(jìn)行了一些研究)，從而獲得與 SiC 器件相當(dāng)?shù)淖畲箅妷?，但能夠?GaN-on-Si 的頻率下工作。這項(xiàng)研究還強(qiáng)調(diào)了采用這種機(jī)制如何改進(jìn)熱管理、超過 3 kV 的垂直擊穿電壓以及與當(dāng)今解決方案相比小于一個(gè)數(shù)量級(jí)的導(dǎo)通狀態(tài)電阻。

應(yīng)用和市場(chǎng)
WBG 設(shè)備的應(yīng)用領(lǐng)域仍然是一個(gè)小眾市場(chǎng)，研發(fā)部門仍需更好地了解如何充分發(fā)揮其潛力。最大的新技術(shù)市場(chǎng)是二極管市場(chǎng)，但 WBG 預(yù)計(jì)將在未來五年內(nèi)涌入晶體管市場(chǎng)。

已經(jīng)開始假設(shè)可能的應(yīng)用，預(yù)測(cè)表明電動(dòng)汽車、電信和消費(fèi)市場(chǎng)是最合理的。

根據(jù)銷售預(yù)測(cè)，最賺錢的市場(chǎng)將是涉及電動(dòng)汽車和自動(dòng)駕駛汽車的市場(chǎng)，其中 WBG 將用于逆變器、車載充電設(shè)備（OBC）和防撞系統(tǒng)（LiDAR），這是顯而易見的，鑒于新器件的熱特性和效率與優(yōu)化蓄電池性能的要求相匹配。

在電信方面，5G 的作用將成為 WBG 的驅(qū)動(dòng)力，其將安裝的數(shù)百萬個(gè)站點(diǎn)將需要更高的能效，也將更小更輕，性能大幅提升并降低成本。

消費(fèi)市場(chǎng)也將涉及新設(shè)備的大量使用。由于移動(dòng)設(shè)備的日益普及以及對(duì)快速充電的需求，無線電力和充電設(shè)備將主要受到影響。

SiC 和 GaN 器件
英飛凌開發(fā)了各種 SiC 和 GaN MOSFET 器件及其驅(qū)動(dòng)器 CoolSiC 和 CoolGaN 系列。值得注意的是 FF6MR12W2M1_B11 半橋模塊，它能夠在 1,200 V 時(shí)提供高達(dá) 200 A 的電流，R DS(on)電阻僅為 6 mΩ。該模塊配備兩個(gè) SiC MOSFET 和一個(gè) NTC 溫度傳感器，適用于 UPS 和電機(jī)控制應(yīng)用，注重效率和散熱（圖 1）。

Microsemi 目錄中有一個(gè)類似的解決方案，即 Phase Leg SiC MOSFET 模塊，它利用 SP6LI 系列，允許高達(dá) 1,700 V 的電壓和大于 200 A 的電流；AlN 襯底可確保更好的熱管理，兩個(gè) SiC 肖蒂二極管可提高開關(guān)頻率。

Wolfspeed 憑借其 CAB450M12XM3 緊跟市場(chǎng)步伐，該半橋器件能夠管理高達(dá) 1,200 V 的電壓和 450 A 的電流，由于使用了第三代 MOSFET，因此適合在高達(dá) 175°C 的連續(xù)模式下工作與 SiN 襯底。

縱觀 GaN 世界，很明顯，可用的各種器件是有限的。GanSystem 在其目錄中提供了 GS-065-150-1-D，這是一種利用專利島技術(shù)的晶體管，能夠在大于 10 MHz 的開關(guān)頻率下管理高達(dá) 650 V 和 150 A 的電流。

最后，Transphorm 的 TP90H050WS FET 將于 2020 年年中亮相，Transphorm 正在開發(fā)一款采用 TO-247 封裝的 GaN 器件，其工作電壓可達(dá)到 900 V，上升和下降時(shí)間約為 10 ns（圖 2）。

圖 1：FF6MR12W2M1_B11 半橋模塊

圖 2：TP90H050WS 場(chǎng)效應(yīng)管

審核編輯 黃昊宇