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宽禁带材料在新一代功率器件策略中的关键作用

时间:2019-09-24 作者:Maurizio Di Paolo Emilio 阅读:
宽禁带材料在新一代功率器件策略中的关键作用
与传统硅工艺相比,WBG半导体材料,如碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN),可实现更优的导热性、更高的开关速率而且更小尺寸的物理器件。也因此,WBG半导体材料推动了新一代电源的出现。
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在当今的功率电子产品中,质量与可靠性是必须首要考虑的,而设计的重点是最大限度地提高效率和功率密度,同时最小化成本。另外,工作频率的显著增长也不断给当前的设计实践带来不小的挑战,比如对电磁干扰/兼容(EMI / EMC)性能和生产能力的改善需求。而宽带隙(WBG)功率半导体的不断进展使上述目标都成为可能。xWwEETC-电子工程专辑

材料的带隙取决于晶格中原子之间化学键的强度。键能越强则电子从一个轨道跳到另一个轨道也更难。因此,高带隙半导体表现出较低的固有电流损耗并能够承受较高的工作温度。 这种改善实现了更高的能量转换效率、更高的可靠性,并最终提升了盈利能力。xWwEETC-电子工程专辑

与传统硅工艺相比,WBG半导体材料,如碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN),可实现更优的导热性、更高的开关速率而且更小尺寸的物理器件。也因此,WBG半导体材料推动了新一代电源的出现。xWwEETC-电子工程专辑

氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)

材料的禁带是将电子从其价带释放到导带所需的能量。硅、SiC和GaN都是半导体材料,但是硅具有1.12电子伏特(eV)的禁带,而SiC和GaN分别具有2.86和3.4eV的相对较宽的禁带。SiC和GaN较高的电子迁移率使得它们能够实现更快的切换,因为接合处累积的电荷通常可以更快地释放。xWwEETC-电子工程专辑

GaN器件的快速上升时间、低电阻、低栅极和输出电容可降低开关损耗并支持在更高频率下工作,其工作频率通常比同类硅基解决方案高出一个数量级。低损耗意味着更有效的能量分配、更少的热量生成和更简单的冷却方案。此外,通过减小体积、重量和材料需求,高频操作对解决方案的成本产生积极影响,特别是GaN器件用作变压器和电感器等磁性元件时。xWwEETC-电子工程专辑

从GaN技术优势中获益最多的应用是开关电源。AC/DC电源用于将AC电网电压转换为较低的DC电压,从而可以为低电压电气设备供电或再充电。GaN技术可以在此过程的所有阶段提高功率密度,包括从AC/DC转换到DC/DC转换和负载点(POL)分配。xWwEETC-电子工程专辑

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图1:GaN与Si器件的损耗比较(图片来源:德州仪器)xWwEETC-电子工程专辑

德州仪器(TI)的DualCool和NexFET GaN功率MOSFET可以实现封装上部的散热。由于这种特性,GaN MOSFET可以比同类硅器件提供多达50%的电流,设计人员因此可以在不增加系统尺寸的情况下即可在复杂的应用中部署这类器件,同时还减少了整流次数(图1)。xWwEETC-电子工程专辑

与此同时,碳化硅(SiC)技术已被用于构建可以在1,200V、1,700V甚至更高电压下工作的元件。SiC有望覆盖工业、能源和运输领域的高端产品系列,取代迄今为止主导这些应用的绝缘栅双极晶体管(IGBT)。xWwEETC-电子工程专辑

SiC技术正在很多大功率项目中得到应用,如电机、电力驱动器、逆变器或变频器,包括动力传动系统逆变器和车载充电器(OBC)等。电力驱动器制造商正在研究驱动器电路,用以支持转换器中更高的开关频率,并通过使用更复杂拓扑结构来降低电磁干扰(EMI)。xWwEETC-电子工程专辑

与硅相比,SiC技术提供卓越的开关性能和更高的可靠性。二极管没有反向恢复电流,开关性能也与温度无关。由于出色的热性能、更高的功率密度和更低的EMI,对于高性能汽车应用来说,SiC技术是一个极具吸引力的选择,而且汽车应用仍在持续地增长中。xWwEETC-电子工程专辑

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图2:FFSHx0120的测试电路和波形(图片来源:安森美半导体)xWwEETC-电子工程专辑

安森美的SiC二极管采用传统的表面贴装器件(SMD)和通孔封装,包括TO-247、D2PAK和DPAK。Gen1 FFSHx0120 1,200-V和Gen2 FFSHx065 650V器件提供零反向复位、低正向电压、与温度无关的电流稳定性、浅漏电流、高过压能力和正温度系数(图2)。xWwEETC-电子工程专辑

驱动器

新一代器件技术并不是其前任硅产品的直接替代品,更高的允许开关速率带来了一系列新的设计挑战。xWwEETC-电子工程专辑

采用SiC和GaN技术遇到的最大问题之一是需要驱动栅极。SiC需要更高的栅极-源极电压(V(GS))产生负极化以用于关断。另一方面,GaN具有比硅低得多的阈值电压(Vth),但它需要更精确的控制。通常,WBG器件本质上在体二极管上具有比传统硅更高的电压降,这需要更精确地控制停机时间和开关切换。xWwEETC-电子工程专辑

要充分利用这些器件的功能,它们必须以更高的频率运行。因此有必要更仔细地控制布局寄生效应,这使得设计这些系统类似于RF设计。xWwEETC-电子工程专辑

汽车和发动机控制

IDTechEx Research的一份报告指出,随着混合动力和全电动汽车(EV)的市场增长,预计到2027年,车辆功率电子市值可能达到3000亿美元。研究人员指出,预计2025年至2030年间环境排放法规的根本变化将有利于电动汽车市场,对更高的电动汽车自主性(行驶里程)和可靠性的需求也不断增加。分析师们对未来十年的预测还涉及了电池化学和使用新材料(包括SiC和GaN)来构建功率半导体。xWwEETC-电子工程专辑

基于SiC的解决方案被认为比传统技术更高效、更轻巧、更紧凑。例如,英飞凌的CoolSiC肖特基二极管系列适用于混合动力和电动汽车的车载充电器应用。这是英飞凌专门为汽车应用设计的二极管,用以满足其对可靠性、质量和性能的要求。xWwEETC-电子工程专辑

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图3:CoolSiC二极管的功耗(左)和二极管正向电流(右)(图片来源:Infineon Technologies)xWwEETC-电子工程专辑

据英飞凌称,CoolSiC采用了新的钝化概念,使其成为市场上耐湿和耐腐蚀性最强的汽车电子器件。此外,由于它基于110μm的薄晶圆技术,因此具有同类产品中最佳的性能。与传统的硅快速二极管相比,CoolSiC汽车肖特基二极管可以在所有负载条件下将OBC的效率提高一个百分点(图3)。xWwEETC-电子工程专辑
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宽禁带材料的开发和应用在提供优势的同时也面临设计挑战,包括汽车以外的其它应用。在用于机器人和其它工业用途的电机中,尺寸和能效是最主要的设计考虑因素。使用GaN解决方案可以提高脉冲宽度调制(PWM)频率,而GaN较低的开关损耗有助于驱动具有极低电感的永磁电机以及无刷直流电机。这些特性还可以最大限度地减小扭矩波动,实现伺服驱动器和步进电机的精确定位,从而使高速电机在无人机等应用中达到高电压要求。xWwEETC-电子工程专辑

本文同步刊登于电子工程专辑杂志2019年9月刊xWwEETC-电子工程专辑

责编:Yvonne GengxWwEETC-电子工程专辑

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