寬禁帶材料在新一代功率器件策略中的關鍵作用

2021-01-13 電子工程專輯

在當今的功率電子產品中，質量與可靠性是必須首要考慮的，而設計的重點是最大限度地提高效率和功率密度，同時最小化成本。另外，工作頻率的顯著增長也不斷給當前的設計實踐帶來不小的挑戰，比如對電磁幹擾/兼容（EMI / EMC）性能和生產能力的改善需求。而寬帶隙（WBG）功率半導體的不斷進展使上述目標都成為可能。

材料的帶隙取決於晶格中原子之間化學鍵的強度。鍵能越強則電子從一個軌道跳到另一個軌道也更難。因此，高帶隙半導體表現出較低的固有電流損耗並能夠承受較高的工作溫度。 這種改善實現了更高的能量轉換效率、更高的可靠性，並最終提升了盈利能力。

與傳統矽工藝相比，WBG半導體材料，如碳化矽（SiC）和氮化鎵（GaN），可實現更優的導熱性、更高的開關速率而且更小尺寸的物理器件。也因此，WBG半導體材料推動了新一代電源的出現。

氮化鎵（GaN）和碳化矽（SiC）

材料的禁帶是將電子從其價帶釋放到導帶所需的能量。矽、SiC和GaN都是半導體材料，但是矽具有1.12電子伏特（eV）的禁帶，而SiC和GaN分別具有2.86和3.4eV的相對較寬的禁帶。SiC和GaN較高的電子遷移率使得它們能夠實現更快的切換，因為接合處累積的電荷通常可以更快地釋放。

GaN器件的快速上升時間、低電阻、低柵極和輸出電容可降低開關損耗並支持在更高頻率下工作，其工作頻率通常比同類矽基解決方案高出一個數量級。低損耗意味著更有效的能量分配、更少的熱量生成和更簡單的冷卻方案。此外，通過減小體積、重量和材料需求，高頻操作對解決方案的成本產生積極影響，特別是GaN器件用作變壓器和電感器等磁性元件時。

從GaN技術優勢中獲益最多的應用是開關電源。AC/DC電源用於將AC電網電壓轉換為較低的DC電壓，從而可以為低電壓電氣設備供電或再充電。GaN技術可以在此過程的所有階段提高功率密度，包括從AC/DC轉換到DC/DC轉換和負載點（POL）分配。

圖1：GaN與Si器件的損耗比較（圖片來源：德州儀器）

德州儀器（TI）的DualCool和NexFET GaN功率MOSFET可以實現封裝上部的散熱。由於這種特性，GaN MOSFET可以比同類矽器件提供多達50%的電流，設計人員因此可以在不增加系統尺寸的情況下即可在複雜的應用中部署這類器件，同時還減少了整流次數（圖1）。

與此同時，碳化矽（SiC）技術已被用於構建可以在1,200V、1,700V甚至更高電壓下工作的元件。SiC有望覆蓋工業、能源和運輸領域的高端產品系列，取代迄今為止主導這些應用的絕緣柵雙極電晶體（IGBT）。

SiC技術正在很多大功率項目中得到應用，如電機、電力驅動器、逆變器或變頻器，包括動力傳動系統逆變器和車載充電器（OBC）等。電力驅動器製造商正在研究驅動器電路，用以支持轉換器中更高的開關頻率，並通過使用更複雜拓撲結構來降低電磁幹擾（EMI）。

與矽相比，SiC技術提供卓越的開關性能和更高的可靠性。二極體沒有反向恢復電流，開關性能也與溫度無關。由於出色的熱性能、更高的功率密度和更低的EMI，對於高性能汽車應用來說，SiC技術是一個極具吸引力的選擇，而且汽車應用仍在持續地增長中。


圖2：FFSHx0120的測試電路和波形（圖片來源：安森美半導體）

安森美的SiC二極體採用傳統的表面貼裝器件（SMD）和通孔封裝，包括TO-247、D2PAK和DPAK。Gen1 FFSHx0120 1,200-V和Gen2 FFSHx065 650V器件提供零反向復位、低正向電壓、與溫度無關的電流穩定性、淺漏電流、高過壓能力和正溫度係數（圖2）。

驅動器

新一代器件技術並不是其前任矽產品的直接替代品，更高的允許開關速率帶來了一系列新的設計挑戰。

採用SiC和GaN技術遇到的最大問題之一是需要驅動柵極。SiC需要更高的柵極-源極電壓（V（GS））產生負極化以用於關斷。另一方面，GaN具有比矽低得多的閾值電壓（Vth），但它需要更精確的控制。通常，WBG器件本質上在體二極體上具有比傳統矽更高的電壓降，這需要更精確地控制停機時間和開關切換。

要充分利用這些器件的功能，它們必須以更高的頻率運行。因此有必要更仔細地控制布局寄生效應，這使得設計這些系統類似於RF設計。

汽車和發動機控制

IDTechEx Research的一份報告指出，隨著混合動力和全電動汽車（EV）的市場增長，預計到2027年，車輛功率電子市值可能達到3000億美元。研究人員指出，預計2025年至2030年間環境排放法規的根本變化將有利於電動汽車市場，對更高的電動汽車自主性（行駛裡程）和可靠性的需求也不斷增加。分析師們對未來十年的預測還涉及了電池化學和使用新材料（包括SiC和GaN）來構建功率半導體。

基於SiC的解決方案被認為比傳統技術更高效、更輕巧、更緊湊。例如，英飛凌的CoolSiC肖特基二極體系列適用於混合動力和電動汽車的車載充電器應用。這是英飛凌專門為汽車應用設計的二極體，用以滿足其對可靠性、質量和性能的要求。


圖3：CoolSiC二極體的功耗（左）和二極體正向電流（右）（圖片來源：Infineon Technologies）

據英飛凌稱，CoolSiC採用了新的鈍化概念，使其成為市場上耐溼和耐腐蝕性最強的汽車電子器件。此外，由於它基於110μm的薄晶圓技術，因此具有同類產品中最佳的性能。與傳統的矽快速二極體相比，CoolSiC汽車肖特基二極體可以在所有負載條件下將OBC的效率提高一個百分點（圖3）。

寬禁帶材料的開發和應用在提供優勢的同時也面臨設計挑戰，包括汽車以外的其它應用。在用於機器人和其它工業用途的電機中，尺寸和能效是最主要的設計考慮因素。使用GaN解決方案可以提高脈衝寬度調製（PWM）頻率，而GaN較低的開關損耗有助於驅動具有極低電感的永磁電機以及無刷直流電機。這些特性還可以最大限度地減小扭矩波動，實現伺服驅動器和步進電機的精確定位，從而使高速電機在無人機等應用中達到高電壓要求。

本文同步刊登於電子工程專輯雜誌2019年9月刊

責編：Yvonne Geng

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