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从Si转向SiC和GaN设计需要额外的专业知识和设计考量

时间:2020-08-10 作者:Gina Roos 阅读:
硅(Si)基半导体的出现比宽禁带(WBG)半导体早了几十年,如果要转向采用SiC或GaN功率半导体器件实现最佳设计,需要更多的专业知识和技巧,并在几个方面谨慎考虑,如开关拓扑、电磁干扰(EMI)、布局、并联以及栅极驱动器的选择。另外,解决可靠性和成本问题也很重要。
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工程师们可能已经很了解电磁干扰、并联和布局,但当硅芯片过渡到碳化硅或其它宽禁带器件时,这些问题需要更多地被关注。FlJEETC-电子工程专辑

硅(Si)基半导体的出现比宽禁带(WBG)半导体早了几十年,根据芯片供应商公布的数据,硅芯片现在仍占约90%至98%的市场份额。宽禁带半导体主要包括碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN),尽管这种半导体技术还远未成为一种成熟的技术,但由于其优于硅的性能优势,包括更高的效率、更高的功率密度、更小的尺寸和简单的冷却要求,使得它可以进军各个行业。FlJEETC-电子工程专辑

如果要采用SiC或GaN功率半导体器件实现最佳设计,需要更多的专业知识和技巧,并在几个方面谨慎考虑,如开关拓扑、电磁干扰(EMI)、布局、并联以及栅极驱动器的选择。另外,解决可靠性和成本问题也很重要。FlJEETC-电子工程专辑

在Si、SiC和GaN均可采用的应用中,通常根据密度、效率和成本来进行选择。一旦设计人员了解了这三个参数,就会知道该采用哪种开关技术。(图片来源:英飞凌科技公司)FlJEETC-电子工程专辑

为什么要用宽禁带(WBG)?

这一切都要从设计目标开始,因为设计目标决定了是否需要从Si功率器件转向SiC或GaN功率器件。FlJEETC-电子工程专辑

英飞凌科技公司分立功率器件业务部技术市场工程师Bob Yee说,无论是使用硅,还是SiC或GaN,设计人员都需要考虑三个方面的问题:成本、效率和密度。凭借CoolSiC和CoolGaN这两个产品组合,英飞凌同时进军SiC和GaN市场,另外还提供Si MOSFET和IGBT产品。FlJEETC-电子工程专辑

Yee表示,成本由“美元/瓦特”来衡量;效率由“功率输入/功率输出”的百分比来衡量;功率密度则由“瓦特/立方英寸”来衡量。“一旦确定了这些设计目标,也就决定了应该选择的技术类型及其成本。”FlJEETC-电子工程专辑

Yee还表示,尺寸和重量对于决定使用硅还是WBG也很重要。以一个小尺寸适配器的设计为例,这类适配器设计大概率会采用GaN晶体管(HEMT),而不是Si MOSFET。原因是,GaN的高开关频率使设计人员可以缩小电磁线圈的尺寸,从而将电源适配器的尺寸大大减小。FlJEETC-电子工程专辑

“设计人员必须了解他们的功率密度需求,这将最终决定效率。因为尺寸越小,散热空间较小,也意味着需要的效率更高;这迫使设计人员不得不采用WBG器件。”Yee补充道。FlJEETC-电子工程专辑

划分界限

在过去的几十年中,硅方案已逐步实现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以一个100 W的电源为例进行了说明。该电源具有100 W输入和94 W输出,这意味着6%的能源损耗或94%的效率。他说:“这里有一条区分线可以将WBG技术与硅技术分开。如果要达到最高94%的效率,采用硅技术就可以实现,没有理由采用WBG支付更多的费用。但是,如果要达到96%的效率,那么除了使用WBG之外别无选择,因为除拓扑结构外,开关器件自身的属性会引起寄生损耗。FlJEETC-电子工程专辑

Yee补充说:“如果要达到96%的效率,就需要采用新的GaN或SiC拓扑结构。”FlJEETC-电子工程专辑

使用功率因数校正(PFC)拓扑就是一个很好的示例。Yee表示,如果一个设计人员想要针对特定拓扑优化开关技术,例如图腾柱PFC结构,那么采用WBG将可提升其性能。 “无桥图腾柱PFC可以说是WBG完胜的最佳例证。”FlJEETC-电子工程专辑

设计人员需要评估WBG器件,研究如何针对特定拓扑优化开关技术,以实现最大的性能改进。(图片:英飞凌科技公司)FlJEETC-电子工程专辑

挑战

设计人员不断优化设计以获取更高频率、更高功率密度和更高效率。开关频率越高,EMI和开关损耗也越高,设计人员需要特别留意。这也正是WBG技术面临的挑战。FlJEETC-电子工程专辑

WBG的寄生效应小于硅基器件的效应,这意味着EMI很容易升高,因为WBG开关速度更快。 Yee指出,当针对高频应用进行优化时,需要注意EMI的影响,同时还要考虑其它开关损耗。FlJEETC-电子工程专辑

UnitedSiC公司工程副总裁Anup Bhalla对此也表示认同,UnitedSiC是一家SiC FET、SiC JFET和SiC肖特基二极管制造商。Bhalla认为,“更高的功率密度会带来系统优势,但同时EMI问题会变得尤其严重。因为高功率密度实际上意味着所有元件都要变得更小,而变小的唯一方法就是开关速度更快。这样可以将变压器、电感器、散热器和其它组件缩小很多。”FlJEETC-电子工程专辑

Bhalla说,开关速度更快也意味着以更高的电压和电流变化速率运行,这可能会导致较大的电压过冲和EMI问题,因此PCB布线布局会更加困难。FlJEETC-电子工程专辑

Bhalla说:“电路电源端的这种快速电压变化很容易影响电路的信号端,因为它可以在不知不觉中随处发送一个小的电压尖峰,这个尖峰可能会在错误的时间触发栅极驱动器,并毁掉一切。所以布局时必须格外小心。通常,(客户)需要付出大量的工程努力才能实现目标,在过去的四、五年间,许多客户已经取得了很大进展。”FlJEETC-电子工程专辑

优化布局

布局是个大挑战。Yee说,最大的障碍在于驱动器和栅极之间的布局。“设计师需要注意三个端子,驱动器输出到栅极输入(无论是SiC还是GaN),以及驱动器源极与WBG器件源极的接地连接。”FlJEETC-电子工程专辑

Yee指出,因为WBG器件的切换速度非常快,设计师首先需要最小化环路电感。“如果不注意这一点,可能会产生无线信号并造成辐射。” 因此,需要特别注意这些连接。为了解决这一挑战,英飞凌建议使用具有开尔文(Kelvin)源极功能的WBG器件。FlJEETC-电子工程专辑

布局还会影响大功率应用中的并联。Bhalla说,并联相当直接,“它采用相同的物理原理,必须保持布局对称且平衡。我们必须使部件之间的参数分布保持相对紧密,以使所有部件看起来相同,以便可以轻松地并行连接。FlJEETC-电子工程专辑

“设计人员喜欢采用这些快速器件并将其并联,就像他们过去并联IGBT一样。”Bhalla补充说: “IGBT太慢了,所以并联IGBT器件会相对比较容易;但并联WBG器件会比较困难,当切换速度增加10倍时去尝试并联,你就需要在布局方面做更多的工作。”FlJEETC-电子工程专辑

“必须格外小心,至少要做一个像样的布局,以使并行器件之间的所有电流路径看起来都相同。 当两个器件的电感相差五倍时,它们是不可能并联的。”FlJEETC-电子工程专辑

给工程师提供演示板,可能是向他们展示如何解决布局和并联难题的最简单方法。Bhalla说, “我们会非常小心地保证,在并联使用这些器件时,用于驱动栅极的环路与用于路由所有功率/电流的环路保持解耦。栅极驱动电路是一个小型环路,另外还有一个大型的强大环路来驱动所有功率/电流,您会希望将这两者之间的耦合最小化,而并联是更好且更容易的方法。”FlJEETC-电子工程专辑

使用GaN器件时也是如此。GaN HEMT / E-HEMT器件的专业开发商GaN Systems公司销售和营销副总裁Larry Spaziani表示:“由于GAN速度很快,工程师们必须比以往更加了解布局。如果布局不正确,会导致性能下降或EMI问题,甚至出现故障模式。”FlJEETC-电子工程专辑

“GaN不会改变布局规则,但所有组成部分都变得更小、更紧密、更紧凑,此时必须确保方法是正确的。”Larry Spaziani 补充道。FlJEETC-电子工程专辑

针对SiC的细微调整

Yee解释说,从性能角度,SiC可以替代Si IGBT或Si MOSFET,部分原因是其驱动结构非常相似。它们都是常闭型器件,并使用标准驱动器,但其中也存在细微差别。FlJEETC-电子工程专辑

Yee解释道,Si MOSFET的驱动电压为10 V至12V,SiC的为0 V至18 V;Si的欠压锁定(UVLO)阈值为8 V,而SiC的为13 V。因此,在从Si转变为SiC时,设计人员需要做一些细微的调整。FlJEETC-电子工程专辑

不过,采用GaN的驱动结构则完全不同,与IGBT或MOSFET也不同。他补充说,”您必须使用具有特定开启和关闭时间的特定驱动器。因此,设计人员需要特别关注驱动方案,不仅要考虑时序,而且若要并联GaN FET,还必须使驱动器和GaN FET之间具备完美的对称布局。”FlJEETC-电子工程专辑

需要注意的是,只要GaN支持栅极驱动电压和UVLO,设计人员就可以使用标准驱动器,但同样需要对设计进行细微调整。大多数供应商都会建议使用新一代的栅极驱动器,以最快的开关速度进行切换,从而获得最高的性能。FlJEETC-电子工程专辑

与专用GaN驱动器相比,使用标准的栅极驱动器驱动GaN器件需要增加一个负电压电源,以安全地开启和关闭器件。(图片:英飞凌科技公司)FlJEETC-电子工程专辑

Yee表示:“如果使用标准驱动器,就必须为GaN提供正电压和负电压,所以我们更希望客户使用专用驱动器。”他推荐了英飞凌公司的1EDF56x3系列GaN栅极驱动器。FlJEETC-电子工程专辑

并非所有SiC器件都是一样的

大多数WBG器件并不是Si MOSFET或Si晶体管的直接替代品。但共源共栅(cascode)类型的器件是个例外,它几乎不需要额外的工程处理。但在这种情况下,设计人员将无法利用WBG半导体的某些优势。FlJEETC-电子工程专辑

以UnitedSiC公司的SiC产品为例,其全部采用硅兼容封装。这意味着这些器件可以直接替换先前使用的IGBT或硅超结MOSFET。FlJEETC-电子工程专辑

Bhalla表示,其产品的独特特性之一是,所生产的共源共栅器件可以跟MOSFET一样使用。 这些SiC FET包含了一个SiC快速JET,与共源共栅优化的Si MOSFET采用同样的封装,所提供的标准栅极驱动SiC器件都采用标准通孔和表面贴装封装。他说:“我们的共源共栅器件是真正可直接替换的产品,除了栅极电阻可能有所变化之外,不需要任何其它改变。”FlJEETC-电子工程专辑

此外,这些器件也不需要特殊的驱动器。Bhalla说,它们与所有主要供应商十年前就提供的标准硅栅极驱动器IC均兼容,包括那些与SiC MOSFET一起使用的旧器件和老式IGBT。FlJEETC-电子工程专辑

他补充说,在过去两年中,已经有很多性能优异的SiC栅极驱动器被开发出来。“它们虽然很昂贵,但是人们已经开始使用;而我们的器件也兼容这些更好的驱动器。”FlJEETC-电子工程专辑

但这些驱动器也存在一些缺陷,例如它们无法最大限度发掘WBG器件的性能。Bhalla表示:“我们现在利用这类封装提供的超快速器件具有很大的电感。当通过这些封装在电路中设置高压摆率(di / dt)时,将会加剧所有快速开关会导致的问题,如更大的过冲、更大的振荡等。”FlJEETC-电子工程专辑

Bhalla说,他们正在努力改进封装。“人们利用了SiC的部分优势,并以廉价和简单的方式在终端系统中得到了一些好处,这就是目前的状况。FlJEETC-电子工程专辑

他说:“全球范围内硅器件的占有率仍然相当大,在从硅向碳化硅的转变过程中,我们铺设了一条可行之路。”FlJEETC-电子工程专辑

Bhalla认为,到明年,将会有很多顶侧冷却的表面贴装封装,甚至是表面贴装型模块出现,它们会将整个半桥集成在一个封装中。他说:“我们必须做到,否则用户将无法发掘碳化硅的所有优势,也无法迈入新的台阶。”FlJEETC-电子工程专辑

例如,UnitedSiC最近推出了采用TO-247封装、导通电阻仅为7-mΩ的650V器件(其较低的导通电阻可以实现更高的效率。)。与该器件最接近的竞品的导通电阻要高出其3倍,但UnitedSiC遇到的问题是,其封装引线实际上比芯片本身更热。“鉴于此,我们将200A的器件降额到120A来使用,就因为在实际使用该器件时,我们发现引线比芯片本身更热。”Bhalla说。FlJEETC-电子工程专辑

UnitedSiC推出了第一款SiC FET,其导通电阻RDS(on)<10 mΩ,具有更高效率和更低损耗。该器件采用大众熟悉的TO-247封装,集成了一个第三代SiC JFET和一个经共源共栅优化的Si MOSFET,可以通过相同的Si IGBT栅极电压驱动。(图片:UnitedSiC)FlJEETC-电子工程专辑

GaN的优势

从消费电子到汽车行业,OEM厂商的设计师们都有一些共同的设计要求:更高的功率密度和更小的电子产品。FlJEETC-电子工程专辑

Spaziani说,在较高的频率下,电力系统中的几乎所有组件(电容器、电感器、变压器等)都可以更小。由于GaN效率很高且产生的热量很少,因而不需要任何散热器。因此,设计人员只需要拆掉散热器就可以节省空间和成本,或者也可以保持相同的频率以获得更高的效率。通常,即使效率仅提高1%,也足以使服务器供电电源的客户从铂金级跨越到钛金级(即效率达到96%)。FlJEETC-电子工程专辑

Spaziani说,与工程师通常所做的没什么不同,无论是使用硅技术还是其它技术,工程师通常都必须优化电路板,但是栅极驱动有所不同。采用GaN和SiC,栅极驱动的行为特征不同于硅MOSFET和硅IGBT,因此工程师首先要问的是:“如何驱动栅极?”FlJEETC-电子工程专辑

在过去的30年中,基本上MOSFET已成为标准的0-12V的栅极驱动电路,而GaN要么是–3-6 V,要么0-10 V或0-5V。Spaziani说,它们都有细微差别。“但好消息是GaN Systems公司已发展了6年,而且现在已经有10多家主要的半导体公司在提供GaN驱动器,所以现在这已经成为一个简单的应用决策。”FlJEETC-电子工程专辑

GaN Systems还提供了一种称为EZDrive的电路,无需分立驱动器。它将12V MOSFET驱动器转换为采用大约六个组件的6V GaN驱动器。Spaziani说:“这种电路很便宜,适配器设计师非常喜欢;它易于使用,不耗电且体积小,而且不必配置专用的栅极驱动器。”FlJEETC-电子工程专辑

揭密GaN

GaN供应商认为,关于GaN技术,仍然存在一些错误或虚假的传言,涉及EMI、并联、雪崩性能、可靠性和成本等。FlJEETC-电子工程专辑

传言一:GaN器件的EMI更为严重。GaN提供了良好的开关边缘,可实现更高的效率和更高的频率,但这并不意味着EMI会更糟。实际上,供应商们宣称,GaN器件的EMI通常比具有良好布局的硅器件要好,而且还可以使EMI滤波器更小,从而降低成本。FlJEETC-电子工程专辑

传言二:并联是一个常见问题,传言说GaN仅在低功率和高频下才具有优势。举个例子,GaN Systems的客户以20 kHz到20 MHz的频率切换器件,且以高功率运行,其器件是并联的。所以,GaN晶体管就可以很好地并联,只要确保每个晶体管承载的电流量相同即可。例如,如果将两个器件并联,若其中一个晶体管承载70%的电流,则损耗会很快,电路也会很快失效。注意:来自不同SiC和GaN供应商的器件在并联时略有差别。FlJEETC-电子工程专辑

传言三:不具备雪崩能力。MOSFET进入雪崩模式以钳制电压尖峰,以保护电路的其余部分免受故障影响。而GaN器件制造商则通过在电压额定值中设计更多的冗余量来解决此问题。例如,GaN Systems的650V额定器件在1000 V以内都不会发生故障。FlJEETC-电子工程专辑

传言四:可靠性和成本无法与硅器件相比。可靠性是通过故障率(FIT)来衡量的。硅已有数十年的历史,而且被大多数供应商证明是可靠的。但WBG半导体不同,像任何新技术一样,其可靠性风险增加了,成本也增加了。简单地比较WBG器件和硅器件是比较困难的,因为硅芯片的可靠性已得到充分证明,而且多年来的大量生产也降低了成本。FlJEETC-电子工程专辑

但有部分WBG供应商(例如GaN Systems)表示其可靠性[FIT]与硅相当,在过去五年中,二者的价格差距明显缩小,WBG的价格从3-5倍于硅,降到了1.5-2倍于硅。FlJEETC-电子工程专辑

GaN Systems器件的FIT故障率 <0.1(图片:GaN Systems)FlJEETC-电子工程专辑

WBG供应商提供了设计工具、演示板和指南,以帮助客户向SiC和GaN器件过渡,但最终,客户必须自己付出努力进行研发,以实现向新技术的飞跃。FlJEETC-电子工程专辑

Bhalla说:“所有优势都在眼前,但客户需要引导进行必要的工程处理才能真正体现这些优势。”FlJEETC-电子工程专辑

(参考原文:Designing with WBG semiconductors takes a little extra know-howFlJEETC-电子工程专辑

责编:Amy GuanFlJEETC-电子工程专辑

本文为《电子工程专辑》2020年8月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。点击申请免费杂志订阅  FlJEETC-电子工程专辑

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