GaN与SiC功率器件的特点 GaN和SiC的技术挑战

 

　　SiC和GaN被称为“宽带隙半导体”(WBG)，因为将这些材料的电子从价带炸毁到导带所需的能量：而在硅的情况下，该能量为1.1eV，SiC（碳化硅）为3.3eV，GaN（氮化镓）为3.4eV。这导致了更高的适用击穿电压，在某些应用中可以达到1200-1700V。

　　宽禁带半导体的优点

　　极低的内阻，与硅等效器件相比，效率提高高达70%

　　低电阻提高了热性能（随着最高工作温度的提高）和散热，以及可获得的功率密度

　　与硅同等产品相比，散热优化允许使用更简单的封装、显着减小尺寸和减轻重量

　　非常短的关断时间（在GaN的情况下接近于零）允许使用非常高的开关频率以及达到的较低温度

　　经典电力电子器件中使用的所有类型的器件都可以用宽带隙半导体器件制成。此外，经典的硅器件在许多应用领域已经达到了极限。鉴于这些前提，很明显，宽带隙半导体技术是电力电子未来的基础，并为各个应用领域的新可能性奠定了基础。

　　氮化镓与碳化硅

　　每种类型的器件（无论是硅器件还是新型宽带隙）根据应用类型所需的功率和频率性能都有其市场份额。

　　尽管在概念层面上有相似之处，但SiC和GaN组件不可互换，而是根据其运行系统内的使用参数而有所不同。

　　优点

　　特别是SiC器件可以承受更高的电压，高达1200V以上，而GaN器件可以承受更低的电压和功率密度；另一方面，由于GaN器件的关断时间几乎为零（与MOSFET Si的50V/s相比，电子迁移率较高，因此dV/dt大于100V/s），这些器件可用于非常广泛的领域。高频应用，具有前所未有的效率和性能。这种理想的正特性可能被证明是不方便的：如果组件的寄生电容不接近于零，则可能会产生数十安培的电流尖峰，这可能会在电磁兼容性测试阶段引起问题。

　　SiC在所使用的封装上具有更多优势，因为可以采用TO-247和TO-220，从而可以用新型SiC快速替换IGBT和MOSFET，而GaN在SMD封装（更轻、更轻）方面具有更好的效果。小但归入新项目）。

　　常见的设计挑战

　　另一方面，这两类器件的共同挑战与栅极驱动器的设计和构造有关，能够充分利用组件的特定特性，同时注意寄生组件（必须在设计中将其最小化）。为了避免性能变弱）和适用电压水平（希望与用于驱动经典硅元件的电压水平相似）。

　　成本差异

　　就成本而言，SiC器件现在更便宜且更受欢迎，这也是因为它们是在GaN之前制造的。然而，不难想象，成本仅部分与生产过程和市场需求相关，这就是市场价格可能趋于平缓的原因。

　　由于GaN衬底的生产成本较高，使用GaN“沟道”的器件采用Si衬底。近几个月来，瑞典林雪平大学与其子公司SweGaN合作，按照使用SiC衬底和新晶圆生长工艺（称为变晶异质外延，可防止结构缺陷的存在）的想法进行了一些研究，从而获得与SiC器件相当的最大电压，但能够在Si上GaN的频率下工作。这项研究还强调了采用这种机制如何能够改进热管理、超过3kV的垂直击穿电压，以及与当今的解决方案相比，导通状态下的电阻小于一个数量级。

　　应用领域及市场份额

　　WBG器件的应用领域仍然是一个小众领域，研发部门仍然需要更好地了解如何充分发挥其潜力。最大的新技术市场是二极管市场，但WBG预计将在未来5年内涌入晶体管市场。

　　可能的应用已经开始被假设，预测显示电动汽车、电信和消费市场是最有可能的。

　　根据销售预测，最赚钱的市场将是涉及电动汽车和自动驾驶汽车的市场，其中宽带隙将用于逆变器、车载充电设备（OBC）和防碰撞系统（LiDAR），这一点是显而易见的，考虑到新设备的热特性和效率与优化蓄电池性能的要求相匹配。

　　在电信方面，5G的作用将成为WBG的驱动力，其将安装的数百万个站点将需要更高的能源效率，并且也将变得更小、更轻，从而显着提高性能并降低成本。

　　消费市场也将涉及新设备的大量使用。由于移动设备的不断普及以及快速充电的需求，无线充电和充电设备将受到主要影响。

审核编辑：刘清