選Si、SiC還是GaN?英飛凌給出了專業的應用建議

碳化矽（SiC）是最成熟的WBG寬帶隙半導體材料， 它已經廣泛用於製造開關器件，例如MOSFET和晶閘管。氮化鎵（GaN）具有作為功率器件半導體的潛力，並且在射頻應用中是對矽的重大改進。L3bEETC-電子工程專輯

Cree推出了首款商用900V SiC功率MOSFET，而且於近期宣布推出Wolfspeed 650V碳化矽MOSFET產品組合；Microchip和ROHM均已發布了新的SiC MOSFET和二極體；英飛凌在2017年底推出了氮化鎵器件，今年二月推出了八款650V CoolSiC MOSFET器件；另外，意法半導體和安森美半導體在WBG寬帶隙半導體材料方面也有相關投資；ADI公司已經生產出用於高頻應用的GaN器件，並相信這種材料將有助於設計人員減小尺寸和重量，同時實現更高的效率和擴展帶寬。L3bEETC-電子工程專輯

可以看出各大廠商在SiC或GaN寬帶隙半導體材料均有所布局和有著自己的發展策略，而相對於友商，英飛凌的優勢是同時擁有矽、氮化鎵、碳化矽三種主要的功率技術，這樣可以完全做到以客戶需求為導向，從而給予客戶支持。L3bEETC-電子工程專輯

英飛凌為什麼開發650V SiC MOSFET？

根據IHS在2019年的預估（如下圖），650V SiC MOSFET今年會有近5000萬美元的市場份額。到2028年，市場份額將會達到1億6000萬美元。整個年複合成長率達到16%。650V SiC MOSFET主要應用是電源供應器、不間斷電源（UPS）、電動汽車充電、馬達驅動還有光伏跟儲能的部分,其中電源部分佔據最大份額。L3bEETC-電子工程專輯

（來源：IHS）L3bEETC-電子工程專輯

650V SiC MOSFET的年複合成長率達到16%，這個數字是非常可觀的。傳統的矽發展至今，市場規模很大，但事實上它的市場複合成長率可能是個位數。而英飛凌在碳化矽的領域事實上已經有超過10年的經驗，不同部門均在研發SiC產品，其中SiC二極體已經推出十幾年，產品已經迭代至第六代。L3bEETC-電子工程專輯

作為新材料的SiC(和GaN)，與傳統的Si材料相比，它有哪些特性？（如下圖）L3bEETC-電子工程專輯

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首先是帶隙（band gap）的部分，新材料SiC的禁帶寬度是矽材料的大概三倍。單位面積的阻隔電壓的能力大概是矽材料的7倍，電子遷移率相差不太多，但熱導率也是超過矽材料的3倍。其電子漂移速度也大概實矽的2倍左右。那這部分是物理的特性，對於使用者和設計者而言，好處是，它可以運行在更高的電壓，這也是碳化矽的特性之一。另外，它可以達到更高的效率。因為它各方面的速率比較高，可以讓功率器件滿足輕薄短小的要求，和更高的開關頻率使體積降低。另外，SiC的散熱性能也比矽好。L3bEETC-電子工程專輯

對於半導體材料的關鍵特性，電子設計工程師幾乎每天都抓破頭在想這些問題。L3bEETC-電子工程專輯

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。L3bEETC-電子工程專輯

英飛凌在今年2月底剛推出的8個不同的SiC產品——650V CoolSiC MOSFET器件，其額定值在27 mΩ-107 mΩ之間，既可採用典型的TO-247 3引腳封裝，也支持開關損耗更低的TO-247 4引腳封裝。與過去發布的所有CoolSiC MOSFET產品相比，全新650V系列基於英飛凌先進的溝槽半導體技術。通過最大限度地發揮碳化矽強大的物理特性，確保了器件具有出色的可靠性、出類拔萃的開關損耗和導通損耗。此外，它們還具備最高的跨導水平（增益）、4V的閾值電壓（Vth）和短路穩健性。總而言之，溝槽技術可以在毫不折衷的情況下，在應用中實現最低的損耗，並在運行中實現最佳可靠性。L3bEETC-電子工程專輯

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碳化矽的驅動方式跟傳統矽的驅動方式是不一樣的，為了讓使用者能夠獲得更好的元件，優化設計，英飛凌有專門的驅動IC，搭配其碳化矽MOSFET,可以達到更好的效果、更高的穩定度。例如，為了簡化採用650 V CoolSiC MOSFET的應用設計，確保器件高效運行，英飛凌提供了專用的單通道和雙通道電氣隔離EiceDRIVER柵極驅動器IC。這個解決方案（整合了CoolSiC開關和專用的柵極驅動器IC）有助於降低系統成本和總擁有成本，以及提高能效。L3bEETC-電子工程專輯

Si、SiC和GaN定位比較

至於600V/650V CoolSiC、CoolMOS與CoolGaN的應用定位，英飛凌科技電源與傳感系統事業部大中華區開關電源應用高級市場經理陳清源表示，矽在電壓範圍為25V-1.7 kV仍是主流技術，適用於從低到高功率的應用；碳化矽適用的電壓範圍是650V-3.3 kV，適用於開關頻率從中到高的大功率應用；而氮化鎵適用的電壓範圍是80V-650V，適用於開關頻率最高的中等功率應用。在600V和650V電壓等級，CoolMOS、CoolSiC和CoolGaN可以共存，以滿足以下各種應用的需求：電動車充電、電機驅動加OBC（車載充電器）、電池化成、數據中心和電信開關電源、工業開關電源、太陽能光伏逆變器、儲能、UPS等應用。L3bEETC-電子工程專輯

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陳清源向電子工程專輯記者表示，「因為同時擁有矽材料和碳化矽(SiC)以及氮化鎵(GaN)兩種寬帶隙(WBG)材料的開發、製造技術，所以英飛凌有更全面的應用經驗和更全面的客戶需求了解。目前在以上提及的領域，我們根據不同的客戶各自的應用場景有著相應的技術儲備。矽材料由於技術成熟度最高，以及性價比方面的優勢，所以未來依然會是各個功率轉換領域的主要器件。而氮化鎵(GaN)器件由於其在快速開關性能方面的優勢，會在追求高效和高功率密度的場合，例如數據中心、伺服器等，有較快的增長。而碳化矽(SiC)器件在三種材料中溫度穩定性和可靠性都被市場驗證，所以在對可靠性要求更高的領域，例如汽車和太陽能逆變器等，看到較快的增長。」L3bEETC-電子工程專輯

英飛凌科技電源與傳感系統事業部大中華區開關電源應用高級市場經理陳清源L3bEETC-電子工程專輯

目前Si、SiC和GaN這三種材料的功率器件會共存，不存在誰會取代誰。L3bEETC-電子工程專輯

Si、SiC及GaN，該如何選擇？

既然Si、SiC及GaN三種材料的產品將共存，那麼IC廠商及設計師們該如何選擇？L3bEETC-電子工程專輯

從效率、功率密度兼具易用性。陳清源在視頻會議中針對這三個材料作了比較：傳統的矽，產品範圍事實上是最多的，它開發得最久，而且每一個產品系列都比較完善，它的性價比是最高。如果需要找性價比高的，事實上矽絕對是首選。但是如果說你要找到效率最高、功率密度最大，基於氮化鎵的器件切換速度最快，而且它的價格可能沒有矽有優勢，但是它的效率跟功率密度事實上是絕對是無可取代的。但是如果說要考慮「易使用性」以及堅固、耐用度，因為碳化矽它可以耐高溫，也就是說它的溫度係數變化比較小，所以說在堅固跟易用性上面，碳化矽是一個很好的選擇。L3bEETC-電子工程專輯

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。相比傳統的矽材料功率半導體，對於氮化鎵電晶體和碳化矽MOSFET這兩種寬禁帶功率半導體，英飛凌也給出了具體的專業的應用建議：L3bEETC-電子工程專輯

（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；L3bEETC-電子工程專輯

（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；L3bEETC-電子工程專輯

（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；L3bEETC-電子工程專輯

（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；L3bEETC-電子工程專輯

（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；L3bEETC-電子工程專輯

（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。L3bEETC-電子工程專輯