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选Si、SiC还是GaN?英飞凌给出了专业的应用建议

时间:2020-04-30 作者:关丽 阅读:
Cree推出了首款商用900V SiC功率MOSFET,而且于近期宣布推出Wolfspeed 650V碳化硅MOSFET产品组合;Microchip和ROHM均已发布了新的SiC MOSFET和二极管;英飞凌在2017年底推出了氮化镓器件,今年二月推出了八款650V CoolSiC MOSFET器件;另外,意法半导体和安森美半导体在WBG宽带隙半导体材料方面也有相关投资;ADI公司已经生产出用于高频应用的GaN器件,并相信这种材料将有助于设计人员减小尺寸和重量,同时实现更高的效率和扩展带宽...... 可以看出各大厂商在SiC或GaN宽带隙半导体材料均有所布局和有着自己的发展策略。
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碳化硅(SiC)是最成熟的WBG宽带隙半导体材料, 它已经广泛用于制造开关器件,例如MOSFET和晶闸管。氮化镓(GaN)具有作为功率器件半导体的潜力,并且在射频应用中是对硅的重大改进。AqsEETC-电子工程专辑

Cree推出了首款商用900V SiC功率MOSFET,而且于近期宣布推出Wolfspeed 650V碳化硅MOSFET产品组合;Microchip和ROHM均已发布了新的SiC MOSFET和二极管;英飞凌在2017年底推出了氮化镓器件,今年二月推出了八款650V CoolSiC MOSFET器件;另外,意法半导体和安森美半导体在WBG宽带隙半导体材料方面也有相关投资;ADI公司已经生产出用于高频应用的GaN器件,并相信这种材料将有助于设计人员减小尺寸和重量,同时实现更高的效率和扩展带宽。AqsEETC-电子工程专辑

可以看出各大厂商在SiC或GaN宽带隙半导体材料均有所布局和有着自己的发展策略,而相对于友商,英飞凌的优势是同时拥有硅、氮化镓、碳化硅三种主要的功率技术,这样可以完全做到以客户需求为导向,从而给予客户支持。AqsEETC-电子工程专辑

英飞凌为什么开发650V SiC MOSFET?

根据IHS在2019年的预估(如下图),650V SiC MOSFET今年会有近5000万美元的市场份额。到2028年,市场份额将会达到1亿6000万美元。整个年复合成长率达到16%。650V SiC MOSFET主要应用是电源供应器、不间断电源(UPS)、电动汽车充电、马达驱动还有光伏跟储能的部分,其中电源部分占据最大份额。AqsEETC-电子工程专辑

(来源:IHS)AqsEETC-电子工程专辑

650V SiC MOSFET的年复合成长率达到16%,这个数字是非常可观的。传统的硅发展至今,市场规模很大,但事实上它的市场复合成长率可能是个位数。而英飞凌在碳化硅的领域事实上已经有超过10年的经验,不同部门均在研发SiC产品,其中SiC二极管已经推出十几年,产品已经迭代至第六代。AqsEETC-电子工程专辑

作为新材料的SiC(和GaN),与传统的Si材料相比,它有哪些特性?(如下图)AqsEETC-电子工程专辑

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首先是带隙(band gap)的部分,新材料SiC的禁带宽度是硅材料的大概三倍。单位面积的阻隔电压的能力大概是硅材料的7倍,电子迁移率相差不太多,但热导率也是超过硅材料的3倍。其电子漂移速度也大概实硅的2倍左右。那这部分是物理的特性,对于使用者和设计者而言,好处是,它可以运行在更高的电压,这也是碳化硅的特性之一。另外,它可以达到更高的效率。因为它各方面的速率比较高,可以让功率器件满足轻薄短小的要求,和更高的开关频率使体积降低。另外,SiC的散热性能也比硅好。AqsEETC-电子工程专辑

对于半导体材料的关键特性,电子设计工程师几乎每天都抓破头在想这些问题。AqsEETC-电子工程专辑

氮化镓和碳化硅材料更大的禁带宽度,更高的临界场强使得基于这两种材料制作的功率半导体具有高耐压,低导通电阻,寄生参数小等优异特性。当应用于开关电源领域中,具有损耗小,工作频率高,可靠性高等优点,可以大大提升开关电源的效率,功率密度和可靠性等性能。AqsEETC-电子工程专辑

英飞凌在今年2月底刚推出的8个不同的SiC产品——650V CoolSiC MOSFET器件,其额定值在27 mΩ-107 mΩ之间,既可采用典型的TO-247 3引脚封装,也支持开关损耗更低的TO-247 4引脚封装。与过去发布的所有CoolSiC MOSFET产品相比,全新650V系列基于英飞凌先进的沟槽半导体技术。通过最大限度地发挥碳化硅强大的物理特性,确保了器件具有出色的可靠性、出类拔萃的开关损耗和导通损耗。此外,它们还具备最高的跨导水平(增益)、4V的阈值电压(Vth)和短路稳健性。总而言之,沟槽技术可以在毫不折衷的情况下,在应用中实现最低的损耗,并在运行中实现最佳可靠性。AqsEETC-电子工程专辑

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碳化硅的驱动方式跟传统硅的驱动方式是不一样的,为了让使用者能够获得更好的元件,优化设计,英飞凌有专门的驱动IC,搭配其碳化硅MOSFET,可以达到更好的效果、更高的稳定度。例如,为了简化采用650 V CoolSiC MOSFET的应用设计,确保器件高效运行,英飞凌提供了专用的单通道和双通道电气隔离EiceDRIVER栅极驱动器IC。这个解决方案(整合了CoolSiC开关和专用的栅极驱动器IC)有助于降低系统成本和总拥有成本,以及提高能效。AqsEETC-电子工程专辑

Si、SiC和GaN定位比较

至于600V/650V CoolSiC、CoolMOS与CoolGaN的应用定位,英飞凌科技电源与传感系统事业部大中华区开关电源应用高级市场经理陈清源表示,硅在电压范围为25V-1.7 kV仍是主流技术,适用于从低到高功率的应用;碳化硅适用的电压范围是650V-3.3 kV,适用于开关频率从中到高的大功率应用;而氮化镓适用的电压范围是80V-650V,适用于开关频率最高的中等功率应用。在600V和650V电压等级,CoolMOS、CoolSiC和CoolGaN可以共存,以满足以下各种应用的需求:电动车充电、电机驱动加OBC(车载充电器)、电池化成、数据中心和电信开关电源、工业开关电源、太阳能光伏逆变器、储能、UPS等应用。AqsEETC-电子工程专辑

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陈清源向电子工程专辑记者表示,“因为同时拥有硅材料和碳化硅(SiC)以及氮化镓(GaN)两种宽带隙(WBG)材料的开发、制造技术,所以英飞凌有更全面的应用经验和更全面的客户需求了解。目前在以上提及的领域,我们根据不同的客户各自的应用场景有着相应的技术储备。硅材料由于技术成熟度最高,以及性价比方面的优势,所以未来依然会是各个功率转换领域的主要器件。而氮化镓(GaN)器件由于其在快速开关性能方面的优势,会在追求高效和高功率密度的场合,例如数据中心、服务器等,有较快的增长。而碳化硅(SiC)器件在三种材料中温度稳定性和可靠性都被市场验证,所以在对可靠性要求更高的领域,例如汽车和太阳能逆变器等,看到较快的增长。”AqsEETC-电子工程专辑

英飞凌科技电源与传感系统事业部大中华区开关电源应用高级市场经理陈清源AqsEETC-电子工程专辑

目前Si、SiC和GaN这三种材料的功率器件会共存,不存在谁会取代谁。AqsEETC-电子工程专辑

Si、SiC及GaN,该如何选择?

既然Si、SiC及GaN三种材料的产品将共存,那么IC厂商及设计师们该如何选择?AqsEETC-电子工程专辑

从效率、功率密度兼具易用性。陈清源在视频会议中针对这三个材料作了比较:传统的硅,产品范围事实上是最多的,它开发得最久,而且每一个产品系列都比较完善,它的性价比是最高。如果需要找性价比高的,事实上硅绝对是首选。但是如果说你要找到效率最高、功率密度最大,基于氮化镓的器件切换速度最快,而且它的价格可能没有硅有优势,但是它的效率跟功率密度事实上是绝对是无可取代的。但是如果说要考虑“易使用性”以及坚固、耐用度,因为碳化硅它可以耐高温,也就是说它的温度系数变化比较小,所以说在坚固跟易用性上面,碳化硅是一个很好的选择。AqsEETC-电子工程专辑

由于宽禁带功率半导体有着许多硅材料半导体无法比拟的性能优势,因此工业界越来越多地趋向使用它们。相比传统的硅材料功率半导体,对于氮化镓晶体管和碳化硅MOSFET这两种宽禁带功率半导体,英飞凌也给出了具体的专业的应用建议:AqsEETC-电子工程专辑

(1)所应用系统由于某些原因必须工作于超过200KHz以上的频率,首先氮化镓晶体管,次选碳化硅MOSFET;若工作频率低于200KHz,两者皆可使用;AqsEETC-电子工程专辑

(2)所应用系统要求轻载至半载效率极高,首先氮化镓晶体管,次选碳化硅MOSFET;AqsEETC-电子工程专辑

(3)所应用系统工作最高环境温度高,或散热困难,或满载要求效率极高,首选碳化硅MOSFET,次选氮化镓晶体管;AqsEETC-电子工程专辑

(4)所应用系统噪声干扰较大,特别是门极驱动干扰较大,首选碳化硅MOSFET,次选氮化镓晶体管;AqsEETC-电子工程专辑

(5)所应用系统需要功率开关由较大的短路能力,首选碳化硅MOSFET;AqsEETC-电子工程专辑

(6)对于其他无特殊要求的应用系统,此时根据散热方式,功率密度,设计者对两者的熟悉程度等因素来确定选择哪种产品。AqsEETC-电子工程专辑

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关丽
电子工程专辑(EETimes China)资深产业研究员。
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