SiC 和 GaN 被稱為“寬帶隙半導(dǎo)體”(WBG)，因?yàn)閷⑦@些材料的電子從價(jià)帶炸開到導(dǎo)帶需要能量：而在硅的情況下，這種能量為 1.1eV，它是SiC(碳化硅)為 3.3eV，GaN(氮化鎵)為 3.4eV。這導(dǎo)致更高的適用擊穿電壓，在某些應(yīng)用中可以達(dá)到 1200-1700V。由于使用的生產(chǎn)工藝，WBG 設(shè)備顯示出以下優(yōu)點(diǎn)：

極低的內(nèi)阻，與硅等效器件相比，可將效率提高多達(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

散熱優(yōu)化允許使用更簡單的封裝，與等效的硅相比，顯著減小尺寸和減輕重量

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器件都可以使用 WBG 器件制造。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)。

碳化硅和氮化鎵的區(qū)別

根據(jù)應(yīng)用類型所需的功率和頻率性能，每種類型的器件，包括硅器件和新型 WBG，都有其市場份額。

盡管在概念層面上有相似之處，但 SiC 和 GaN 組件不能相互互換，而是根據(jù)它們在其中運(yùn)行的系統(tǒng)中的使用參數(shù)而有所不同。

尤其是SiC器件可以 承受更高的電壓，高達(dá)1200V甚至更高，而GaN器件可以承受更低的電壓和功率密度;另一方面，由于 GaN 器件幾乎為零的關(guān)斷時(shí)間(高電子遷移率，與 MOSFET Si 的 50V/s 相比，因此 dV/dt 大于 100V/s)，這些可以用于非常高頻應(yīng)用，具有前所未有的效率和性能。這種理想的正特性可能會(huì)被證明是不方便的：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)量級的電流尖峰，這可能會(huì)導(dǎo)致電磁兼容性測試階段出現(xiàn)問題。

由于采用 TO-247 和 TO-220 的可能性，碳化硅在所使用的封裝上具有更多優(yōu)勢，這允許用新的碳化硅快速替換 IGBT 和 MOSFET，而 GaN 用 SMD 封裝(更輕、更耐用)提供更好的結(jié)果。小但降級到新項(xiàng)目)。

另一方面，這兩種器件的共同挑戰(zhàn)與柵極驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)和構(gòu)造有關(guān)，能夠充分利用特定組件的特性，注意寄生組件(必須在以避免較弱的性能)和適用電壓的水平(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、更受歡迎，這也是因?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)過程和市場需求有關(guān)，這就是為什么市場上的價(jià)格可能會(huì)趨于平緩。

由于 GaN 襯底的生產(chǎn)成本較高，因此使用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)與其衍生的 SweGaN 大學(xué)合作，根據(jù)使用 SiC 襯底和新的晶圓生長工藝(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?Si 上的 GaN 頻率下工作。這項(xiàng)研究還強(qiáng)調(diào)了采用這種機(jī)制如何能夠改進(jìn)熱管理、超過 3kV 的垂直擊穿電壓以及與當(dāng)今的解決方案相比小于一個(gè)數(shù)量級的導(dǎo)通狀態(tài)電阻。

應(yīng)用和市場

WBG 設(shè)備的應(yīng)用領(lǐng)域仍然是一個(gè)利基市場，研發(fā)部門仍然需要更好地了解如何充分發(fā)揮其潛力。最大的新技術(shù)市場是二極管市場，但預(yù)計(jì) WBG 將在未來 5 年內(nèi)充斥晶體管市場。

可能的應(yīng)用已經(jīng)開始被假設(shè)，預(yù)測顯示電動(dòng)汽車、電信和消費(fèi)市場是最有可能的。

根據(jù)銷售預(yù)測，最賺錢的市場將是電動(dòng)汽車和自動(dòng)駕駛汽車，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，鑒于新設(shè)備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)需要更高的能效，并且也將變得更小、更輕，在性能和成本上有顯著提升。

消費(fèi)市場也將涉及新設(shè)備的大量使用。由于移動(dòng)設(shè)備的不斷普及以及快速充電的需求，無線電源和充電設(shè)備將主要受到影響。

碳化硅和氮化鎵器件

英飛凌開發(fā)了多種 SiC 和 GaN MOSFET 器件及其驅(qū)動(dòng)器，即 CoolSiC 和 CoolGaN 系列。值得注意的是 FF6MR12W2M1_B11 半橋模塊，它能夠在 1200V 下提供高達(dá) 200A 的電流，RDS(on) 電阻僅為 6mΩ。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(現(xiàn)為 Microchip Technology)中有一個(gè)類似的解決方案，帶有 Phase Leg SiC MOSFET 模塊，它使用 SP6LI 器件系列，并允許電壓高達(dá) 1700V 和電流大于 200A;AlN 襯底確保更好的熱管理，兩個(gè) SiC 肖特基二極管允許增加開關(guān)頻率。

Wolfspeed 憑借其 CAB450M12XM3 與市場保持同步，該半橋器件能夠管理高達(dá) 1200V 的電壓和 450A 的電流，由于使用了具有 SiN 襯底的第三代 MOSFET，因此適合在高達(dá) 175°C 的溫度下連續(xù)工作.

在查看 GaN 世界時(shí)，很明顯可用的各種設(shè)備是有限的。GanSystem 在其產(chǎn)品目錄中提供了 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 10MHz 的開關(guān)頻率下管理高達(dá) 650V 和 150A 的電壓。

最后，憑借將于 2020 年中期面世的 TP90H050WS FET，Transphorm 正在開發(fā)使用 TO-247 封裝的 GaN 器件，其工作電壓可達(dá)到 900V，上升和下降時(shí)間約為 10nS(圖 2)。

圖 1：FF6MR12W2M1_B11 半橋模塊

圖 2：TP90H050WS FET

審核編輯：湯梓紅