氮化鎵還是碳化矽,電氣工程師該如何選擇?

1.引言

作為第三代功率半導體的絕代雙驕，氮化鎵電晶體和碳化矽MOSFET日益引起工業界，特別是電氣工程師的重視。之所以電氣工程師如此重視這兩種功率半導體，是因為其材料與傳統的矽材料相比有諸多的優點，如圖1所示[1]。氮化鎵和碳化矽材料更大的禁帶寬度，更高的臨界場強使得基於這兩種材料製作的功率半導體具有高耐壓，低導通電阻，寄生參數小等優異特性。當應用於開關電源領域中，具有損耗小，工作頻率高，可靠性高等優點，可以大大提升開關電源的效率，功率密度和可靠性等性能。

圖1：矽、碳化矽，氮化鎵三種材料關鍵特性對比

由於具有以上優異的特性，氮化鎵電晶體和碳化矽MOSFET正越來越多的被應用於工業領域，且將被更大規模的應用。圖2是IHS Markit給出的這兩種功率半導體應用領域及其銷售額預測。隨著應用領域的擴大，氮化鎵電晶體和碳化矽MOSFET的銷售額也將隨之大幅度增長。圖3是IHS Markit提供的這兩種功率半導體銷售量預測。

圖2：氮化鎵電晶體和碳化矽MOSFET應用領域及銷售額預測
 
圖3：氮化鎵電晶體和碳化矽MOSFET銷售額預測

在本文的第2章，將對氮化鎵電晶體的結構和特性，特別是英飛凌科技有限公司的氮化鎵電晶體產品進行詳細的介紹。第3章將對碳化矽MOSFET的結構和特性特別是英飛凌科技有限公司的碳化矽MOSFET產品進行詳細的介紹。在第4章中，將對採用這兩種功率半導體應用於同一電路中進行對比分析，從而更清晰的說明兩者應用中的相同點和不同點，最後將對全文進行總結。

2.氮化鎵電晶體結構及其特性

2.1 氮化鎵電晶體的結構

與矽材料的功率半導體不同，氮化鎵電晶體通過兩種不同禁帶寬度（通常是AlGaN和GaN）材料在交界面的壓電效應形成的二維電子氣（2DEG）來導電，如圖4所示[1]。由於二維電子氣只有高濃度電子導電，因此不存在矽MOSFET的少數載流子複合（即體二極體反向恢復）的問題。
 
圖4：氮化鎵導電原理示意圖

圖4所示的基本氮化鎵電晶體的結構是一種耗盡模式(depletion-mode)的高電子移動率電晶體(HEMT)，這意味著在門極和源極之間不加任何電壓(VGS=0V)情況下氮化鎵電晶體的漏極和元件之間是導通的，即是常開器件。這與傳統的常閉型MOFSET或者IGBT功率開關都完全不同，對於工業應用特別是開關電源領域是非常難以使用的。為了應對這一問題，業界通常有兩種解決方案，一是採用級聯(cascode)結構，二是採用在門極增加P型氮化鎵從而形成增強型（常閉）電晶體。兩者結構如圖5所示。
 
圖5：兩種結構的氮化鎵電晶體

級聯結構的氮化鎵是耗盡型氮化鎵與一個低壓的矽MOSFET級聯在一起，該結構的好處是其驅動與傳統矽MOSFET的驅動完全相同（因為驅動的就是一個矽MOSFET），但是該結構也有很大的缺點，首先矽MOSFET有體二極體，在氮化鎵反嚮導通電流時又存在體二極體的反向恢復問題。其次矽MOSFET的漏極與耗盡型氮化鎵的源極相連，在矽MOSFET開通和關斷過程中漏極對源極出現的振蕩就是氮化鎵源極對門極的振蕩，由於此振蕩時不可避免的，那麼就存在氮化鎵電晶體被誤開通和關斷的可能。最後由於是兩個功率器件級聯在一起，限制了整個氮化鎵器件的導通電阻的進一步減小的可能性。

由於級聯結構存在以上問題，在功率半導體界氮化鎵電晶體的主流技術是增強型氮化鎵電晶體。以英飛凌科技有限公司的氮化鎵電晶體CoolGaN為例，其詳細結構如圖6所示。
 
圖6：CoolGaN結構示意圖

如圖6所示，目前業界的氮化鎵電晶體產品是平面結構，即源極，門極和漏極在同一平面內，這與與超級結技術(SuperJunction)為代表的矽MOSFET的垂直結構不同。門極下面的P-GaN結構形成了前面所述的增強型氮化鎵電晶體。漏極旁邊的另一個p-GaN結構是為了解決氮化鎵電晶體中常出現的電流坍陷(Current collapse)問題。英飛凌科技有限公司的CoolGaN產品的基材（Substrate）採用矽材料，這樣可以大大降低氮化鎵電晶體的材料成本。由於矽材料和氮化鎵材料的熱膨脹係數差異很大，因此在基材和GaN之間增加了許多過渡層(Transition layers)，從而保證氮化鎵電晶體在高低溫循環，高低溫衝擊等惡劣工況下不會出現晶圓分層等失效問題。

2.2 氮化鎵電晶體的特性

基於圖6所示的結構，CoolGaN具有表1所示特性及其帶來的優點。

表1：CoolGaN的特性及其帶來的優點

從表1所示特性可知，氮化鎵電晶體沒有體二極體但仍舊可以反向通流，因此非常適合用於需要功率開關反向通流且會被硬關斷(hard-commutation)的電路，如電流連續模式(CCM)的圖騰柱無橋PFC中，可以獲得極高的可靠性和效率。電路拓撲示意圖如圖7所示。圖中Q1和Q2為氮化鎵電晶體，Q3和Q4為矽MOSFET[3]。
 
圖7：採用氮化鎵電晶體的圖騰柱PFC拓撲示意圖

從表1還可獲知氮化鎵的開關速度極快，驅動損耗小，因此非常適合於高頻應用。採用氮化鎵電晶體的高頻開關電源具有功率密度高，效率高的優點。圖8展示了由英飛凌公司設計的一款3.6KW LLC拓撲DC-DC轉換器，LLC的諧振頻率為350KHz，該轉化器功率密度達到160W/in^3且最高效率超過98%。
 
圖8：採用CoolGaN的3.6KW LLC轉換電路

由以上分析可知，氮化鎵電晶體適合於高效率，高頻率，高功率密度要求的應用場合。

3.碳化矽 MOSFET結構及其特性

3.1 碳化矽MOSFET的結構

常見的平面型(Planar)碳化矽MOSFET的結構如圖9所示[5]。為了減小通道電阻，這種結構通常設計為很薄的門極氧化層，由此帶來在較高的門極輸入電壓下門極氧化層的可靠性風險 [6][7]。為了解決這個問題英飛凌科技有限公司的碳化矽MOSFET 產品CoolSiC採用了不同的門極結構，該結構稱為溝槽型（Trench）碳化矽MOSFET，其門極結構如圖10所示。採用此結構後，碳化矽MOSFET的通道電阻不再與門極氧化層強相關，那麼可以在保證門極高靠可行性同時導通電阻仍舊可以做到極低。
 
圖9：平面型碳化矽MOSFET結構示意圖
 
圖10：CoolSiC溝槽型門極結構

3.2 碳化矽MOSFET的特性

與氮化鎵電晶體類似，碳化矽MOSFET同樣具有導通電阻小，寄生參數小等特點，另外其體二極體特性也比矽MOSFET大為降低。圖11是英飛凌碳化矽650V 耐壓MOSFET CoolSiC與目前業界體二極體性能最好的矽材料功率MOSFET CoolMOS CFD7的兩相主要指標RDS(on)*Qrr和RDS(on)*Qoss的對比，前一項是衡量體二極體反相恢復特性的指標，後一項是衡量MOSFET輸出電容上存儲的電荷量的指標。這兩項數值越小，表面反向恢復特性越好，存儲的電荷越低（軟開關拓撲中，半橋結構上下功率管所需要的死區越短）。可以看出，碳化矽MOSFET相比相近導通電阻的矽MOSFET，反向恢復電荷只有1/6左右，輸出電容上的電荷只有1/5左右。因此碳化矽MOSFET特別適合於體二極體會被硬關斷的拓撲（例如電流連續模式圖騰柱無橋PFC）及軟開關拓撲（LLC，移相全橋等）。

碳化矽MOSFET還有一項出眾的特性：短路能力。相比矽MOSFET短路時間大大提升，這對於變頻器等馬達驅動應用非常重要，圖12給出了英飛凌CoolSIC, CoolMOS及競爭對手短路能力的對比圖。從圖可知CoolSIC實現了短路時間長，短路電流小等優異特性，短路狀態下的可靠性大大提高。
 
圖11：碳化矽MOSFET和矽MOSFET的性能對比
 
圖12：碳化矽MOSFET短路能力比較

第3章對氮化鎵電晶體和碳化矽MOSFET各自的結構和特性進行了介紹，下面將對兩者在參數上和實際電路上進行對比。

4.氮化鎵和碳化矽 MOSFET 對比

4.1 電氣參數對比    

表2是基於英飛凌科技有限公司的氮化鎵電晶體CoolGaN和碳化矽MOSFET CoolSiC，對兩種功率半導體的關鍵參數進行了對比。

表2：CoolGaN和碳化矽MOSFET CoolSiC關鍵參數對比

從表2可知，氮化鎵電晶體在動態參數上都低於碳化矽MOSFET，因此氮化鎵電晶體的開關損耗低於碳化矽MOSFET，在高工作頻率下的優勢會更明顯。電流反向流動時（源極到漏極）氮化鎵電晶體的壓降與其門極到源極的驅動電壓相關[8]，需要根據應用情況對比孰高孰低。對於最後一項門限電壓Vgs(th), 氮化鎵電晶體的數值非常小，意味著對於氮化鎵電晶體的驅動設計要非常注意，如果門極上的噪聲較大，有可能引起氮化鎵電晶體的誤開通。同時CoolGaN為電流型驅動模式[9]，與傳統的電壓型驅動有所不同。而碳化矽MOSFET的門限電壓高很多，其驅動要求與IGBT驅動非常接近。

圖13給出了另外一個重要的參數的對比，即導通電阻RDS(on)隨溫度變化率。眾所周知功率半導體開關的導通電阻都是正溫度係數，即結溫越高則導通電阻越大。從圖13可知碳化矽MOSFET的溫升係數遠小於氮化矽電晶體以及矽MOSFET，在結溫100°C時相差已經達到30%和50%。根據圖13可知，假設在25°C結溫時碳化矽MOSFET和氮化鎵電晶體的導通電阻相同，在同一個應用電路中意味著兩者的導通損耗(〖I_Drms〗^2*R_(DS(on)))相同，但是當兩者的結溫升高到100°C時，碳化矽MOSFET的導通損耗只有氮化矽電晶體的70%，這對於那些環境要求苛刻，高溫下也需要保持高效率的應用場景非常具有吸引力。
 
圖13：碳化矽MOSFET，氮化鎵電晶體和矽MOSFET導通電阻隨結溫變化曲線

4.2 應用對比

首先在圖7所示的電流連續模式(CCM)的圖騰柱(totem-pole)無橋PFC電路上對氮化鎵電晶體和碳化矽MOSFET對轉換效率的影響進行了測試，測試條件如表3所示。

表3：PFC電路測試條件

測試中每種功率開關都測試了兩種導通電阻的器件，對於氮化鎵電晶體，RDS(on)分別為35mohm和45mohm，碳化矽MOSFET則分別是65mohm和80mohm。測試結果如圖14所示。在輕載情況下由於功率開關的開關損耗高於導通損耗，因此氮化鎵電晶體的效率明顯高於碳化矽電晶體。當負載逐漸加重時，導通損耗在總損耗中的佔比高於開關損耗。同時由於負載加大，功率開關的溫升升高，而根據圖13導通電阻隨結溫的變化率可知碳化矽電晶體的導通電阻隨溫度上身而增加較小，因此在高溫下兩種功率開關的效率差異已經非常小，雖然碳化矽電晶體的25°C下的導通電阻是高於氮化鎵電晶體的。
 
圖14：碳化矽MOSFET，氮化鎵電晶體在PFC級效率曲線

接下來對用於3KW輸出功率，採用兩相交錯並聯半橋LLC的電路拓撲中的氮化鎵電晶體和碳化矽MOSFET在不同工作頻率下的計算得到的效率進行比較，計算中忽略掉了頻率上升導致磁性元件（包括諧振電感，主功率電感）損耗上升的影響。電路拓撲如圖15所示。氮化鎵電晶體選用的型號為IGOT60R070D1(25°C下的最大RDS(on)為70mohm)，共8顆。碳化矽MOSFET選用的型號為IMZA65R048M1H(25°C下的最大RDS(on)為64mohm)，共8顆。
 
圖15：兩相交錯並聯LLC電路示意圖

在50%負載（1500W），常溫工作環境下，不同工作頻率下的效率對比如圖16所示。在工作頻率較低（<100KHz）時，採用導通電阻相近的氮化鎵電晶體和碳化矽MOSFET效率相近，且都可以達到非常高(>99.2%)的效率，當工作頻率提升到300KHz後，氮化鎵由於其非常小的寄生參數，開關損耗佔總損耗的比例較低，因此其效率的降低很小（0.08%），而碳化矽MOSFET的效率會下降0.58%（99.28%-98.7%）。當工作頻率上升到500KHz後，兩者效率差距就很大了（1%）。當然如果對於一個實際的電路，考慮到頻率上升會引起磁性元件損耗的急劇上升，兩者的效率差異就不會這麼大，但是效率變化的趨勢是一樣的。
 
圖16：兩種功率器件在不同工作頻率下效率對比

5.氮化鎵和碳化矽 MOSFET應用建議

根據第3章和第4章的論述，基於英飛凌科技有限公司的氮化鎵電晶體和碳化矽MOSFET產品，對於這兩種寬禁帶功率半導體的應用建議如下：

（1）所應用系統由於某些原因必須工作於超過200KHz以上的頻率，首先氮化鎵電晶體，次選碳化矽MOSFET；若工作頻率低於200KHz，兩者皆可使用；
（2）所應用系統要求輕載至半載效率極高，首先氮化鎵電晶體，次選碳化矽MOSFET；
（3）所應用系統工作最高環境溫度高，或散熱困難，或滿載要求效率極高，首選碳化矽MOSFET，次選氮化鎵電晶體；
（4）所應用系統噪聲幹擾較大，特別是門極驅動幹擾較大，首選碳化矽MOSFET，次選氮化鎵電晶體；
（5）所應用系統需要功率開關由較大的短路能力，首選碳化矽MOSFET；
（6）對於其他無特殊要求的應用系統，此時根據散熱方式，功率密度，設計者對兩者的熟悉程度等因素來確定選擇哪種產品。

6.總結

本文對近年來出現的寬禁帶功率半導體即氮化鎵電晶體和碳化矽MOSFET的結構，特性，兩者的性能差異和應用建議進行了詳細的介紹。由於寬禁帶功率半導體有著許多矽材料半導體無法比擬的性能優勢，因此工業界越來越多地趨向使用它們。而隨著業界對兩者的熟悉程度和應用經驗越來越高，兩者的使用量會急劇上升，從而帶動兩者價格的下降，這又會反過來推動寬禁帶功率半導體被更大規模的使用，形成良性循環。因此儘早掌握和使用寬禁帶功率半導體對於電氣工程師提高產品的競爭力，提高產品知名度以及自身的能力都具有非常重要的意義。相信本文對於電氣工程師熟悉和使用寬禁帶功率半導體具有非常大的參考和借鑑意義。

7.參考文獻

[1] Alex Lidow, etc. GaN Transistors for Efficient Power Conversion, 2nd Edition
[2] Richard Eden, etc. The World Market for Silicon Carbide and Gallium Nitride Power Semiconductors-2019 Edition
[3] Severin Kampl, Rafael Garcia, 2500W full-bridge totem-pole power factor correction using CoolGaN, application note, www.infineon.com
[4] 3600W, 385V to 52V LLC DC-DC CoolGaN demo board, user guide, www.infineon.com
[5] Gianpaolo Romano, Study of Silicon Carbide Power MOSFETs Behavior in Out-of-SOA Conditions
[6] Thanh-That Nguyen et.al: Gate Oxide Reliability Issues of SiC MOSFETs under Short-Circuit Operation, IEEE transactions on power electronics, Vol.30, No.5, May 2015, pp. 2445-2455
[7] Menia Beier-Mobius et.al: Breakdown of gate oxide of 1.2 kV SiC-MOSFETs under high temperature and high gate voltage, May 2016, Proc. PCIM 2016, Nuremberg
[8] Datasheet of IGOT60R070D1
[9] www.infineon.com/GaN
[10] Datasheet of IMZA65R048M1H 

作者：宋清亮，英飛凌科技（中國）有限公司

責編：Amy Guan

(本文由英飛凌科技供稿，電子工程專輯對文中陳述、觀點保持中立)