SiC 和 GaN 半导体促进电力电子产品转型升级

在电动汽车、工业电源和太阳能系统中，碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN) 正逐渐成为下一代电源设计的首选宽带隙 (WBG) 技术。我们先稍事分析一下当前形势，解释 WBG 技术何以另觅发展方向，然后介绍几种可用的 WBG 前沿解决方案。

从混合动力和电动汽车到数据中心和军用电力电子，SiC 和 GaN 半导体材料已然成为高压电力电子设备提高功率转换效率和改进节能的可行选择。

例如，一直以来，电动汽车 (EV) 的动力总成逆变器都依赖硅基 IGBT，但是由于 SiC MOSFET 工作频率更高，并且适用于击穿电压较高的应用，因而青睐后者的 EV 设计人员逐渐增多。基于上述原因，在混合动力和电动汽车中，SiC 肖特基势垒二极管 (SBD)、SiC MOSFET、SiC 结型场效应管 (JFET) 和其他 SiC 分立器件等 SiC 器件的应用增长强劲。以此形势发展，下一步即可推出全 SiC 模块。

对于 GaN 半导体而言，成本更低廉；相较于 SiC 晶圆技术，制造工艺更简单；而且在产量方面也逐渐赶上 SiC 器件。除了逆变器等汽车设计应用外，如今 GaN 器件在数据中心的 DC-DC 转换器、高压电源和军用电力电子设备中也深受青睐。

SiC：更高的功率密度和可靠性

SiC 材料具有 2.86 eV 的宽带隙¹，而硅的带隙仅为 1.11 eV，因此 SiC 的导热率相对较高，从而能够在大功率应用中驱动高压。SiC 的功率密度更高，兼具耐用性和可靠性，因而适用于车辆电气化、太阳能逆变器和其他大功率应用的功率转换系统。

例如，Wolfspeed（Cree 旗下公司）推出的 E 系列 SiC MOSFET，针对 EV 电池充电器和高压 DC/DC 转换器进行了优化。E 系列器件基于 Wolfspeed 第三代坚固平面技术，并已用在该公司的 6.6 kW 双向车载充电器参考设计中。

Wolfspeed 将 E 系列 SiC MOSFET 定位为业内开关损耗最低、品质因数 (FOM) 最高的器件。事实上，该系列器件的 R_DSon 确实低至 65 mΩ，而考虑到 WBG 功率器件的电功率损耗和热限制，截至撰写本文之时，该系列器件的 FOM 实属业内一流。

此外，针对极端恶劣环境中的太阳能系统，这些 SiC 器件还通过了 HV-H3TRB 测试，即在 85℃ 恒定环境温度和 85% 相对湿度的试验环境中，器件必须达到额定阻断电压的 80%。

Rohm Semiconductor 也推出了各种额定电流和不同封装的第三代 SiC SBD。SBD 显着改善了 VF 特性，实现高浪涌电流阻抗，同时减小漏电流。因此相较于硅快速恢复二极管 (SiFRD)，该器件的开关损耗更低。

此外，Rohm 还推出了集成 SiC MOSFET 和 SBD 的标准工业封装功率模块（图 1）。

图 1：正因为 R_DS(ON) 显著降低，采用第三代 SiC MOSFET 的功率模块才拥有较低的开关损耗。（图片来源：Rohm Semiconductor）

相较于传统 IGBT 模块，全 SiC 半桥功率模块的开关损耗显著降低，工作频率高达 100 kHz 以上。

GaN：比硅器件更小更快

GaN 的宽带隙高达 3.4 eV，电子迁移率是硅的两倍。此外，GaN 器件具有无电流崩塌特性，从而缩减了尺寸，并提高了功率转换系统的能效。

以 EPC 的 EPC2206 器件为例（图 2）。EPC2206 是 eGaN^® FET 系列产品之一，主要面向采用 48 V 总线配电系统的车辆，有助于电动启停、电动转向、电子悬挂和变速空调等功能的实现。EPC2206 eGaN FET 仅以焊条状的钝化芯片结构提供。芯片尺寸为 6.05 mm x 2.3 mm。

图 2：EPC 的 EPC2206 eGaN FET 仅以焊条状的钝化芯片结构提供。芯片尺寸为 6.05 mm x 2.3 mm。（图片来源：EPC）

EPC 的 EPC2100 半桥 GaN 晶体管也是 eGaN FET 系列产品之一（图 3，上图）。为了简化转换器集成功率 FET 的设计，EPC 还推出了 EPC9036 开发板（图 3，下图）。

图 3：EPC2100 半桥 GaN 晶体管采用焊球状的钝化芯片结构（上图），芯片尺寸为 6.05 mm x 2.3 mm。两块芯片并联接入 EPC9059 开发板（下图）。（图片来源：Digi-Key Electronics）

EPC9036 开发板包含两块并联的 30 V EPC2100 eGaN IC，以及一个板载栅极驱动器以增大输出电流。该开发板包含所有关键组件，并优化布局以实现最佳开关性能。

此外，Transphorm 于 2017 年推出了首款通过汽车级 AEC-Q101 标准鉴定的 GaN 晶体管。根据 Transphorm 提供的信息，开发电源系统时，该公司的高压 GaN FET 可提供充足的散热空间。TP65H035WSQA 是该公司第三代通过 AEC-Q101 标准鉴定的 GaN 器件，并将 FET 的热限制扩展至 175℃，相比通过 AEC-Q101 标准鉴定的高压硅 MOSFET 高 25℃。

由上述解决方案可见，SiC 和 GaN 功率器件已完全商品化。随着这些器件不断解决主要应用领域的关键设计挑战，产量和可用性也会相应增加，有利于在直接替代方面更接近同类硅基产品。

参考资料：

1 – http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Solids/bandgap.html#c1