作者：United Silicon Carbide公司新產(chǎn)品導(dǎo)入經(jīng)理Zhongda Li

寬帶隙器件的承諾

諸如碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）等寬帶隙（WBG）器件是當(dāng)前的“熱門話題”，這些器件承諾可以把從通用無(wú)線充電到功率轉(zhuǎn)換器的解決方案縮小到非常微小的尺寸。然而，這些都是從理論計(jì)算的性能表現(xiàn)，實(shí)際上并非如此。

我們這里先回顧一下，簡(jiǎn)單介紹什么是寬帶隙器件。半導(dǎo)體中具有“束縛”的電子，分別占據(jù)原子核周圍價(jià)帶和導(dǎo)帶的不同能級(jí)。電子可以躍遷到導(dǎo)帶并且可用于電流流動(dòng)，但是產(chǎn)生這種躍遷需要能量激發(fā)。在寬帶隙器件中，這種能量要求比硅器件要大得多。例如，與1.1eV的硅（Si）相比，SiC需要3.2電子伏特（eV）。與相同規(guī)模的硅器件相比，將寬帶隙器件中的電子激發(fā)到導(dǎo)帶中需要更高的能量，這可以轉(zhuǎn)換為更高的擊穿電壓性能。出于同樣的原因，碳化硅在失效之前可耐受更高的溫度（熱能），而且它在導(dǎo)熱性方面比硅器件好約3.5倍。實(shí)際上，這些特性能夠使寬帶隙器件在高電壓和高功率水平下進(jìn)行高溫運(yùn)行。

碳化硅最初實(shí)現(xiàn)的器件是簡(jiǎn)單的二極管，但隨著材料技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)在已經(jīng)可以制造結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管（JFET）、金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）甚至雙極型晶體管。圖1所示為一個(gè)具有垂直“溝槽”結(jié)構(gòu)的SiC JFET單元，與具有橫向結(jié)構(gòu)的GaN HEMT單元相比，SiC JFET單元具有非常低的導(dǎo)通電阻。

圖1：SiC和GaN JFET單元的典型結(jié)構(gòu)。

盡管器件通常在零柵極電壓下也處于“導(dǎo)通”狀態(tài)，但與JFET共封裝的Si MOSFET“共源共柵”排列形成了一個(gè)混合器件，其柵極驅(qū)動(dòng)電壓與Si MOSFET兼容，但仍保留了寬帶隙器件的優(yōu)勢(shì)（圖2）。

圖2：Si MOSFET 和SiC JFET的“共源共柵”排列。

SiC與GaN的比較

由于成本、良率和可靠性等方面的原因，GaN器件比碳化硅面市要晚，而且市場(chǎng)采納的速度也慢。從理論上講，GaN具有更高的電子遷移率，因而能夠比SiC或Si具有更高的開(kāi)關(guān)速度，但GaN導(dǎo)熱率低于Si，其功率密度有限。目前碳化硅器件通常的額定電壓值在650V至1.2kV左右，甚至更高，而氮化鎵則局限在650V左右。在650V同等電壓條件下，碳化硅器件的成本更低，成熟度更高。氮化鎵供應(yīng)商寄希望于數(shù)據(jù)中心、電動(dòng)汽車/混合動(dòng)力汽車和光伏等較低電壓/功率市場(chǎng)，預(yù)期能夠?qū)崿F(xiàn)更低的成本。然而，SiC也可以應(yīng)用在這些市場(chǎng)領(lǐng)域，尤其是在雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器和“圖騰柱功率因數(shù)校正（Totem Pole PFC）”（見(jiàn)下文）等應(yīng)用。

碳化硅的供應(yīng)鏈已經(jīng)非常成熟，甚至可以從高服務(wù)分銷商（high-service distributor）的目錄中獲得產(chǎn)品，而氮化鎵器件則還沒(méi)有成為主流產(chǎn)品。來(lái)自IHS ［1］的數(shù)據(jù)顯示，在2025年前后，兩種器件的市場(chǎng)份額仍將保持類似目前的這種態(tài)勢(shì)，寬帶隙器件的市場(chǎng)總量將達(dá)到35億美元，GaN只占其中的5億美元左右。

即使氮化鎵額定電壓提高，由于碳化硅能夠像電感負(fù)載一樣承受電壓雪崩條件，因而SiC在工業(yè)系統(tǒng)中顯現(xiàn)很大優(yōu)勢(shì)。制造商已有廣泛的數(shù)據(jù)證明碳化硅在應(yīng)對(duì)過(guò)電壓應(yīng)力方面具備高可靠性，而氮化鎵則僅僅規(guī)定不能超過(guò)最高電壓。

兩種器件之間更明顯的區(qū)別在于可用的封裝。碳化硅器件通常采用TO-247和T0-220封裝，使其可以在現(xiàn)有設(shè)計(jì)中“替代”MOSFET，具有“即換即用”的優(yōu)勢(shì)。然而，氮化鎵器件制造商已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，塑料封裝具有其內(nèi)在的速度受限引線電感，這將阻礙器件實(shí)現(xiàn)其最佳潛在性能。因此，他們大多選擇表面貼裝、單源（single-source）、芯片級(jí)封裝，這就使氮化鎵器件限制于新的設(shè)計(jì)。在這些新的系統(tǒng)中，系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以與GaN器件特性相匹配，采用更小的被動(dòng)元件，特別是磁性元件和電容器。

具有諷刺意味的是，設(shè)計(jì)人員需要滿足EMI標(biāo)準(zhǔn)和保持dV/dt可控等許多實(shí)際限制，這些常常迫使他們采用柵極電阻以減慢開(kāi)關(guān)速度。例如，對(duì)于SiC和GaN，100V / ns的dV/dt很容易實(shí)現(xiàn)，但是從i = C.dV / dt可以得知，針對(duì)大小僅為100pF的雜散電容就可產(chǎn)生10A的電流尖峰。類似，高di / dt值也會(huì)在連接電感上產(chǎn)生電壓尖峰。

發(fā)展現(xiàn)狀

共源共柵碳化硅器件通?？删邆?50V和1200V的額定電壓，電流高達(dá)85A，導(dǎo)通電阻約為30mΩ，而如果串聯(lián)JFET “超級(jí)共源共柵碳化硅” 器件，則可具有超過(guò)3.5kV的額定電壓值。單個(gè)器件在70A電流和45mΩ導(dǎo)通電阻左右時(shí)可支持高達(dá)1700V的電壓，這只是針對(duì)MOSFET，而不是JFET共源共柵。這表明與共源共柵不同，它們的內(nèi)部體二極管相對(duì)較慢，并且在橋電路中等應(yīng)用中需要時(shí)，經(jīng)常必須串聯(lián)一個(gè)昂貴的快速外部二極管。

氮化鎵器件的額定電壓為650V，電流值約為60A，導(dǎo)通電阻約為25mΩ，與許多碳化硅器件相當(dāng)，理論上能夠?qū)崿F(xiàn)更快的開(kāi)關(guān)速度。有趣的是，100V額定電壓下的GaN器件導(dǎo)通電阻并不比傳統(tǒng)的MOSFET有優(yōu)勢(shì)，因此只依靠它們的速度優(yōu)勢(shì)來(lái)抵消在此級(jí)別上大大高于商用MOSFET的成本。

展望未來(lái)，盡管IGBT和傳統(tǒng)MOSFET的市場(chǎng)銷售額將不斷增長(zhǎng)，但HIS的數(shù)據(jù)清楚地表明寬帶隙器件在設(shè)計(jì)中會(huì)明顯增加，目前的爭(zhēng)論在于不同種類的寬帶隙器件如何主導(dǎo)特定的細(xì)分市場(chǎng)。圖3是功率器件依照功率和工作頻率區(qū)分的可能發(fā)展態(tài)勢(shì)，而GaN的發(fā)展?fàn)顩r仍然取決于其成本的降低。

圖3：功率器件的未來(lái)可能發(fā)展態(tài)勢(shì)。

應(yīng)用

寬帶隙器件的高溫性能以及在快速開(kāi)關(guān)和低損耗方面的潛力，使其成為性能至關(guān)重要的軍事和工業(yè)應(yīng)用的理想選擇。橋式電路廣泛應(yīng)用于逆變器、焊接、D類音頻放大器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等高功率應(yīng)用，其主要優(yōu)點(diǎn)見(jiàn)于“無(wú)橋圖騰柱PFC”電路（見(jiàn)圖4）。以前基于硅器件的電路一直受限于所用的MOSFET中體二極管的緩慢性能，通常導(dǎo)致被迫使用“臨界導(dǎo)通”模式，而這又反過(guò)來(lái)產(chǎn)生高峰值電流和高EMI。而如果使用共源共柵SiC JFET，可以采用“連續(xù)導(dǎo)通”模式，能夠提高效率，減小電感器尺寸，并減輕EMI問(wèn)題的影響。 一個(gè)1.5kW和230VAC的示例電路展現(xiàn)出令人印象深刻的99.4％高效率［2］。

圖4：無(wú)橋圖騰柱PFC電路中的SiC器件。

穩(wěn)健性考慮

在高功率應(yīng)用中，瞬態(tài)短路和過(guò)壓等條件下的穩(wěn)健性是最關(guān)心的問(wèn)題，典型的共源共柵SiC JFET在這方面具備優(yōu)良的特性，其中的高電流會(huì)引發(fā)“夾止（pinch-off）”效應(yīng)，因而將電流限制在飽和水平。此外，由電流產(chǎn)生的熱效應(yīng)能夠降低通道的電導(dǎo)率，從而可以實(shí)現(xiàn)自我限制的效果，所允許的高結(jié)溫度在這里也很有優(yōu)勢(shì)。

對(duì)于過(guò)壓情況，SiC JFET的柵極-漏極二極管導(dǎo)通，導(dǎo)致電流通過(guò)柵極驅(qū)動(dòng)電路，并使JFET通道導(dǎo)通以鉗位過(guò)壓。同樣，即使在相對(duì)較小的晶片尺寸下，SiC晶片所固有的高溫額定值也可以針對(duì)顯著的雪崩能級(jí)具備足夠的安全裕度。

United Silicon Carbide Inc等制造商已經(jīng)證明了碳化硅產(chǎn)品的穩(wěn)健性，合格的部件在150°C時(shí)加雪崩偏壓能夠耐受1000小時(shí)的工作。作為一個(gè)附加的可信賴指標(biāo)，所有器件在最終測(cè)試中都會(huì)經(jīng)受100％的雪崩［3］。