碳化硅和氮化镓半导体

不久前，SiC和GaN器件的应用还被认为是困难的，但到了2018年，这些技术的优势开始被应用到现实生活中。这项新技术成功背后的原因是什么？

SiC 和 GaN 被称为宽带隙 (WBG) 半导体，因为将这些材料的电子从价带炸开到导带所需的能量：而在硅 (Si) 的情况下，该能量为 1.1 eV， SiC 为 3.3 eV，GaN 为 3.4 eV。这导致更高的适用击穿电压，在某些应用中可达到 1,200 至 1,700 V。由于所使用的生产工艺，WBG 设备具有以下优势：

非常低的内部电阻，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增加）和散热，以及可获得的功率密度

与 Si 等效器件相比，散热优化允许使用更简单的封装、显着减小的尺寸和更轻的重量

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

经典电力电子设备中使用的所有类型的设备都可以使用 WBG 设备制造。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 WBG 技术是电力电子未来的基础，并为各种应用领域的新可能性奠定了基础。

SiC 和 GaN 的区别
每种类型的器件，无论是硅器件还是新型 WBG，都根据应用类型所需的功率和频率性能拥有其市场份额。

尽管在概念层面有相似之处，但 SiC 和 GaN 组件不能相互互换，而是根据它们在其中运行的系统内的使用参数而有所不同。

特别是，SiC 器件可承受更高的电压，高达 1,200 V 或更高，而 GaN 器件可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 Si MOSFET 的 50 V/s 相比，电子迁移率高，因此 dV/dt 大于 100 V/s），这些可以是用于非常高频的应用，具有前所未有的效率和性能。这种理想的积极特性可能会带来不便：如果组件的寄生电容不接近于零，则会产生数十安培数量级的电流尖峰，这可能会导致电磁兼容性测试阶段出现问题。

由于采用 TO-247 和 TO-220 的可能性，SiC 器件在所使用的封装上具有进一步的优势，这允许用新的 SiC 器件快速替换 IGBT 和 MOSFET，而 GaN 器件使用 SMD 封装（即更轻更小，但归入新项目）。

另一方面，这两种器件的一个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，并注意寄生组件（在为了避免较弱的性能）和适用电压水平（希望类似于用于驱动经典硅组件的电压）。

在成本方面，SiC 器件现在更便宜且更受欢迎，因为它们是在 GaN 之前制造的。然而，不难想象，成本只是部分与生产过程有关，与市场需求有关，这就是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 “通道”的器件具有 Si 衬底。最近几个月，瑞典林雪平大学与其衍生公司 SweGaN 合作，按照使用 SiC 衬底和新晶圆生长工艺（称为变形异质外延，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 GaN-on-Si 的频率下工作。这项研究还强调了采用这种机制如何改进热管理、超过 3 kV 的垂直击穿电压以及与当今解决方案相比小于一个数量级的导通状态电阻。

应用和市场
WBG 设备的应用领域仍然是一个小众市场，研发部门仍需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 预计将在未来五年内涌入晶体管市场。

已经开始假设可能的应用，预测表明电动汽车、电信和消费市场是最合理的。

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 WBG 将用于逆变器、车载充电设备（OBC）和防撞系统（LiDAR），这是显而易见的，鉴于新器件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效，也将更小更轻，性能大幅提升并降低成本。

消费市场也将涉及新设备的大量使用。由于移动设备的日益普及以及对快速充电的需求，无线电力和充电设备将主要受到影响。

SiC 和 GaN 器件
英飞凌开发了各种 SiC 和 GaN MOSFET 器件及其驱动器 CoolSiC 和 CoolGaN 系列。值得注意的是 FF6MR12W2M1_B11 半桥模块，它能够在 1,200 V 时提供高达 200 A 的电流，R DS(on)电阻仅为 6 mΩ。该模块配备两个 SiC MOSFET 和一个 NTC 温度传感器，适用于 UPS 和电机控制应用，注重效率和散热（图 1）。

Microsemi 目录中有一个类似的解决方案，即 Phase Leg SiC MOSFET 模块，它利用 SP6LI 系列，允许高达 1,700 V 的电压和大于 200 A 的电流；AlN 衬底可确保更好的热管理，两个 SiC 肖蒂二极管可提高开关频率。

Wolfspeed 凭借其 CAB450M12XM3 紧跟市场步伐，该半桥器件能够管理高达 1,200 V 的电压和 450 A 的电流，由于使用了第三代 MOSFET，因此适合在高达 175°C 的连续模式下工作与 SiN 衬底。

纵观 GaN 世界，很明显，可用的各种器件是有限的。GanSystem 在其目录中提供了 GS-065-150-1-D，这是一种利用专利岛技术的晶体管，能够在大于 10 MHz 的开关频率下管理高达 650 V 和 150 A 的电流。

最后，Transphorm 的 TP90H050WS FET 将于 2020 年年中亮相，Transphorm 正在开发一款采用 TO-247 封装的 GaN 器件，其工作电压可达到 900 V，上升和下降时间约为 10 ns（图 2）。

图 1：FF6MR12W2M1_B11 半桥模块

图 2：TP90H050WS 场效应管

审核编辑 黄昊宇