從Si轉向SiC和GaN設計需要額外的專業知識和設計考量

工程師們可能已經很了解電磁幹擾、並聯和布局，但當矽晶片過渡到碳化矽或其它寬禁帶器件時，這些問題需要更多地被關注。JOFednc

矽（Si）基半導體的出現比寬禁帶（WBG）半導體早了幾十年，根據晶片供應商公布的數據，矽晶片現在仍佔約90%至98%的市場份額。寬禁帶半導體主要包括碳化矽（SiC）和氮化鎵（GaN），儘管這種半導體技術還遠未成為一種成熟的技術，但由於其優於矽的性能優勢，包括更高的效率、更高的功率密度、更小的尺寸和簡單的冷卻要求，使得它可以進軍各個行業。JOFednc

如果要採用SiC或GaN功率半導體器件實現最佳設計，需要更多的專業知識和技巧，並在幾個方面謹慎考慮，如開關拓撲、電磁幹擾（EMI）、布局、並聯以及柵極驅動器的選擇。另外，解決可靠性和成本問題也很重要。JOFednc

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在Si、SiC和GaN均可採用的應用中，通常根據密度、效率和成本來進行選擇。一旦設計人員了解了這三個參數，就會知道該採用哪種開關技術。（圖片來源：英飛凌科技公司）JOFednc

為什麼要用寬禁帶(WBG)?

這一切都要從設計目標開始，因為設計目標決定了是否需要從Si功率器件轉向SiC或GaN功率器件。JOFednc

英飛凌科技公司分立功率器件業務部技術市場工程師Bob Yee說，無論是使用矽，還是SiC或GaN，設計人員都需要考慮三個方面的問題：成本、效率和密度。憑藉CoolSiC和CoolGaN這兩個產品組合，英飛凌同時進軍SiC和GaN市場，另外還提供Si MOSFET和IGBT產品。JOFednc

Yee表示，成本由「美元/瓦特」來衡量；效率由「功率輸入/功率輸出」的百分比來衡量；功率密度則由「瓦特/立方英寸」來衡量。「一旦確定了這些設計目標，也就決定了應該選擇的技術類型及其成本。」JOFednc

Yee還表示，尺寸和重量對於決定使用矽還是WBG也很重要。以一個小尺寸適配器的設計為例，這類適配器設計大概率會採用GaN電晶體（HEMT），而不是Si MOSFET。原因是，GaN的高開關頻率使設計人員可以縮小電磁線圈的尺寸，從而將電源適配器的尺寸大大減小。JOFednc

「設計人員必須了解他們的功率密度需求，這將最終決定效率。因為尺寸越小，散熱空間較小，也意味著需要的效率更高；這迫使設計人員不得不採用WBG器件。」Yee補充道。JOFednc

劃分界限

在過去的幾十年中，矽方案已逐步實現了更高的效率和更小的尺寸，但WBG器件可以提供更高的效率。Yee以一個100 W的電源為例進行了說明。該電源具有100 W輸入和94 W輸出，這意味著6%的能源損耗或94%的效率。他說：「這裡有一條區分線可以將WBG技術與矽技術分開。如果要達到最高94%的效率，採用矽技術就可以實現，沒有理由採用WBG支付更多的費用。但是，如果要達到96%的效率，那麼除了使用WBG之外別無選擇，因為除拓撲結構外，開關器件自身的屬性會引起寄生損耗。JOFednc

Yee補充說：「如果要達到96%的效率，就需要採用新的GaN或SiC拓撲結構。」JOFednc

使用功率因數校正（PFC）拓撲就是一個很好的示例。Yee表示，如果一個設計人員想要針對特定拓撲優化開關技術，例如圖騰柱PFC結構，那麼採用WBG將可提升其性能。 「無橋圖騰柱PFC可以說是WBG完勝的最佳例證。」JOFednc

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設計人員需要評估WBG器件，研究如何針對特定拓撲優化開關技術，以實現最大的性能改進。（圖片：英飛凌科技公司）JOFednc

挑戰

設計人員不斷優化設計以獲取更高頻率、更高功率密度和更高效率。開關頻率越高，EMI和開關損耗也越高，設計人員需要特別留意。這也正是WBG技術面臨的挑戰。JOFednc

WBG的寄生效應小於矽基器件的效應，這意味著EMI很容易升高，因為WBG開關速度更快。 Yee指出，當針對高頻應用進行優化時，需要注意EMI的影響，同時還要考慮其它開關損耗。JOFednc

UnitedSiC公司工程副總裁Anup Bhalla對此也表示認同，UnitedSiC是一家SiC FET、SiC JFET和SiC肖特基二極體製造商。Bhalla認為，「更高的功率密度會帶來系統優勢，但同時EMI問題會變得尤其嚴重。因為高功率密度實際上意味著所有元件都要變得更小，而變小的唯一方法就是開關速度更快。這樣可以將變壓器、電感器、散熱器和其它組件縮小很多。」JOFednc

Bhalla說，開關速度更快也意味著以更高的電壓和電流變化速率運行，這可能會導致較大的電壓過衝和EMI問題，因此PCB布線布局會更加困難。JOFednc

Bhalla說：「電路電源端的這種快速電壓變化很容易影響電路的信號端，因為它可以在不知不覺中隨處發送一個小的電壓尖峰，這個尖峰可能會在錯誤的時間觸發柵極驅動器，並毀掉一切。所以布局時必須格外小心。通常，（客戶）需要付出大量的工程努力才能實現目標，在過去的四、五年間，許多客戶已經取得了很大進展。」JOFednc

優化布局

布局是個大挑戰。Yee說，最大的障礙在於驅動器和柵極之間的布局。「設計師需要注意三個端子，驅動器輸出到柵極輸入（無論是SiC還是GaN），以及驅動器源極與WBG器件源極的接地連接。」JOFednc

Yee指出，因為WBG器件的切換速度非常快，設計師首先需要最小化環路電感。「如果不注意這一點，可能會產生無線信號並造成輻射。」 因此，需要特別注意這些連接。為了解決這一挑戰，英飛凌建議使用具有開爾文(Kelvin)源極功能的WBG器件。JOFednc

布局還會影響大功率應用中的並聯。Bhalla說，並聯相當直接，「它採用相同的物理原理，必須保持布局對稱且平衡。我們必須使部件之間的參數分布保持相對緊密，以使所有部件看起來相同，以便可以輕鬆地並行連接。JOFednc

「設計人員喜歡採用這些快速器件並將其並聯，就像他們過去並聯IGBT一樣。」Bhalla補充說： 「IGBT太慢了，所以並聯IGBT器件會相對比較容易；但並聯WBG器件會比較困難，當切換速度增加10倍時去嘗試並聯，你就需要在布局方面做更多的工作。」JOFednc

「必須格外小心，至少要做一個像樣的布局，以使並行器件之間的所有電流路徑看起來都相同。 當兩個器件的電感相差五倍時，它們是不可能並聯的。」JOFednc

給工程師提供演示板，可能是向他們展示如何解決布局和並聯難題的最簡單方法。Bhalla說， 「我們會非常小心地保證，在並聯使用這些器件時，用於驅動柵極的環路與用於路由所有功率/電流的環路保持解耦。柵極驅動電路是一個小型環路，另外還有一個大型的強大環路來驅動所有功率/電流，您會希望將這兩者之間的耦合最小化，而並聯是更好且更容易的方法。」JOFednc

使用GaN器件時也是如此。GaN HEMT / E-HEMT器件的專業開發商GaN Systems公司銷售和營銷副總裁Larry Spaziani表示：「由於GAN速度很快，工程師們必須比以往更加了解布局。如果布局不正確，會導致性能下降或EMI問題，甚至出現故障模式。」JOFednc

「GaN不會改變布局規則，但所有組成部分都變得更小、更緊密、更緊湊，此時必須確保方法是正確的。」Larry Spaziani 補充道。JOFednc

針對SiC的細微調整

Yee解釋說，從性能角度，SiC可以替代Si IGBT或Si MOSFET，部分原因是其驅動結構非常相似。它們都是常閉型器件，並使用標準驅動器，但其中也存在細微差別。JOFednc

Yee解釋道，Si MOSFET的驅動電壓為10 V至12V，SiC的為0 V至18 V；Si的欠壓鎖定（UVLO）閾值為8 V，而SiC的為13 V。因此，在從Si轉變為SiC時，設計人員需要做一些細微的調整。JOFednc

不過，採用GaN的驅動結構則完全不同，與IGBT或MOSFET也不同。他補充說，」您必須使用具有特定開啟和關閉時間的特定驅動器。因此，設計人員需要特別關注驅動方案，不僅要考慮時序，而且若要並聯GaN FET，還必須使驅動器和GaN FET之間具備完美的對稱布局。」JOFednc

需要注意的是，只要GaN支持柵極驅動電壓和UVLO，設計人員就可以使用標準驅動器，但同樣需要對設計進行細微調整。大多數供應商都會建議使用新一代的柵極驅動器，以最快的開關速度進行切換，從而獲得最高的性能。JOFednc

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與專用GaN驅動器相比，使用標準的柵極驅動器驅動GaN器件需要增加一個負電壓電源，以安全地開啟和關閉器件。（圖片：英飛凌科技公司）JOFednc

Yee表示：「如果使用標準驅動器，就必須為GaN提供正電壓和負電壓，所以我們更希望客戶使用專用驅動器。」他推薦了英飛凌公司的1EDF56x3系列GaN柵極驅動器。JOFednc

並非所有SiC器件都是一樣的

大多數WBG器件並不是Si MOSFET或Si電晶體的直接替代品。但共源共柵（cascode）類型的器件是個例外，它幾乎不需要額外的工程處理。但在這種情況下，設計人員將無法利用WBG半導體的某些優勢。JOFednc

以UnitedSiC公司的SiC產品為例，其全部採用矽兼容封裝。這意味著這些器件可以直接替換先前使用的IGBT或矽超結MOSFET。JOFednc

Bhalla表示，其產品的獨特特性之一是，所生產的共源共柵器件可以跟MOSFET一樣使用。 這些SiC FET包含了一個SiC快速JET，與共源共柵優化的Si MOSFET採用同樣的封裝，所提供的標準柵極驅動SiC器件都採用標準通孔和表面貼裝封裝。他說：「我們的共源共柵器件是真正可直接替換的產品，除了柵極電阻可能有所變化之外，不需要任何其它改變。」JOFednc

此外，這些器件也不需要特殊的驅動器。Bhalla說，它們與所有主要供應商十年前就提供的標準矽柵極驅動器IC均兼容，包括那些與SiC MOSFET一起使用的舊器件和老式IGBT。JOFednc

他補充說，在過去兩年中，已經有很多性能優異的SiC柵極驅動器被開發出來。「它們雖然很昂貴，但是人們已經開始使用；而我們的器件也兼容這些更好的驅動器。」JOFednc

但這些驅動器也存在一些缺陷，例如它們無法最大限度發掘WBG器件的性能。Bhalla表示：「我們現在利用這類封裝提供的超快速器件具有很大的電感。當通過這些封裝在電路中設置高壓擺率（di / dt）時，將會加劇所有快速開關會導致的問題，如更大的過衝、更大的振蕩等。」JOFednc

Bhalla說，他們正在努力改進封裝。「人們利用了SiC的部分優勢，並以廉價和簡單的方式在終端系統中得到了一些好處，這就是目前的狀況。JOFednc

他說：「全球範圍內矽器件的佔有率仍然相當大，在從矽向碳化矽的轉變過程中，我們鋪設了一條可行之路。」JOFednc

Bhalla認為，到明年，將會有很多頂側冷卻的表面貼裝封裝，甚至是表面貼裝型模塊出現，它們會將整個半橋集成在一個封裝中。他說：「我們必須做到，否則用戶將無法發掘碳化矽的所有優勢，也無法邁入新的臺階。」JOFednc

例如，UnitedSiC最近推出了採用TO-247封裝、導通電阻僅為7-mΩ的650V器件（其較低的導通電阻可以實現更高的效率。）。與該器件最接近的競品的導通電阻要高出其3倍，但UnitedSiC遇到的問題是，其封裝引線實際上比晶片本身更熱。「鑑於此，我們將200A的器件降額到120A來使用，就因為在實際使用該器件時，我們發現引線比晶片本身更熱。」Bhalla說。JOFednc

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UnitedSiC推出了第一款SiC FET，其導通電阻RDS（on）<10 mΩ，具有更高效率和更低損耗。該器件採用大眾熟悉的TO-247封裝，集成了一個第三代SiC JFET和一個經共源共柵優化的Si MOSFET，可以通過相同的Si IGBT柵極電壓驅動。（圖片：UnitedSiC）JOFednc

GaN的優勢

從消費電子到汽車行業，OEM廠商的設計師們都有一些共同的設計要求：更高的功率密度和更小的電子產品。JOFednc

Spaziani說，在較高的頻率下，電力系統中的幾乎所有組件（電容器、電感器、變壓器等）都可以更小。由於GaN效率很高且產生的熱量很少，因而不需要任何散熱器。因此，設計人員只需要拆掉散熱器就可以節省空間和成本，或者也可以保持相同的頻率以獲得更高的效率。通常，即使效率僅提高1%，也足以使伺服器供電電源的客戶從鉑金級跨越到鈦金級（即效率達到96%）。JOFednc

Spaziani說，與工程師通常所做的沒什麼不同，無論是使用矽技術還是其它技術，工程師通常都必須優化電路板，但是柵極驅動有所不同。採用GaN和SiC，柵極驅動的行為特徵不同於矽MOSFET和矽IGBT，因此工程師首先要問的是：「如何驅動柵極？」JOFednc

在過去的30年中，基本上MOSFET已成為標準的0-12V的柵極驅動電路，而GaN要麼是–3-6 V，要麼0-10 V或0-5V。Spaziani說，它們都有細微差別。「但好消息是GaN Systems公司已發展了6年，而且現在已經有10多家主要的半導體公司在提供GaN驅動器，所以現在這已經成為一個簡單的應用決策。」JOFednc

GaN Systems還提供了一種稱為EZDrive的電路，無需分立驅動器。它將12V MOSFET驅動器轉換為採用大約六個組件的6V GaN驅動器。Spaziani說：「這種電路很便宜，適配器設計師非常喜歡；它易於使用，不耗電且體積小，而且不必配置專用的柵極驅動器。」JOFednc

揭密GaN

GaN供應商認為，關於GaN技術，仍然存在一些錯誤或虛假的傳言，涉及EMI、並聯、雪崩性能、可靠性和成本等。JOFednc

傳言一：GaN器件的EMI更為嚴重。GaN提供了良好的開關邊緣，可實現更高的效率和更高的頻率，但這並不意味著EMI會更糟。實際上，供應商們宣稱，GaN器件的EMI通常比具有良好布局的矽器件要好，而且還可以使EMI濾波器更小，從而降低成本。JOFednc

傳言二：並聯是一個常見問題，傳言說GaN僅在低功率和高頻下才具有優勢。舉個例子，GaN Systems的客戶以20 kHz到20 MHz的頻率切換器件，且以高功率運行，其器件是並聯的。所以，GaN電晶體就可以很好地並聯，只要確保每個電晶體承載的電流量相同即可。例如，如果將兩個器件並聯，若其中一個電晶體承載70%的電流，則損耗會很快，電路也會很快失效。注意：來自不同SiC和GaN供應商的器件在並聯時略有差別。JOFednc

傳言三：不具備雪崩能力。MOSFET進入雪崩模式以鉗制電壓尖峰，以保護電路的其餘部分免受故障影響。而GaN器件製造商則通過在電壓額定值中設計更多的冗餘量來解決此問題。例如，GaN Systems的650V額定器件在1000 V以內都不會發生故障。JOFednc

傳言四：可靠性和成本無法與矽器件相比。可靠性是通過故障率（FIT）來衡量的。矽已有數十年的歷史，而且被大多數供應商證明是可靠的。但WBG半導體不同，像任何新技術一樣，其可靠性風險增加了，成本也增加了。簡單地比較WBG器件和矽器件是比較困難的，因為矽晶片的可靠性已得到充分證明，而且多年來的大量生產也降低了成本。JOFednc

但有部分WBG供應商（例如GaN Systems）表示其可靠性[FIT]與矽相當，在過去五年中，二者的價格差距明顯縮小，WBG的價格從3-5倍於矽，降到了1.5-2倍於矽。JOFednc

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GaN Systems器件的FIT故障率 <0.1（圖片：GaN Systems）JOFednc

WBG供應商提供了設計工具、演示板和指南，以幫助客戶向SiC和GaN器件過渡，但最終，客戶必須自己付出努力進行研發，以實現向新技術的飛躍。JOFednc

Bhalla說：「所有優勢都在眼前，但客戶需要引導進行必要的工程處理才能真正體現這些優勢。」JOFednc

（本文授權轉載自EDN姊妹網站電子工程專輯。參考原文：Designing with WBG semiconductors takes a little extra know-how）JOFednc

責編：趙明燦JOFednc