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让乘风破浪的宽禁带功率器件飞一会儿

时间:2020-08-12 阅读:
得益于混合动力和电动汽车、电源和光伏(PV)逆变器的需求,新兴的碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)功率半导体市场的销售收入预计将从2018年的5.71亿美元增至2020年底的8.54亿美元,并在2021年突破10亿美元大关。
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根据Omdia的《2020年SiC和GaN功率半导体报告》,得益于混合动力和电动汽车、电源和光伏(PV)逆变器的需求,新兴的碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)功率半导体市场的销售收入预计将从2018年的5.71亿美元增至2020年底的8.54亿美元,并在2021年突破10亿美元大关。未来十年内,该市场的规模将以年均两位数的增长率,一路攀升至2029年的50亿美元。

图1:GaN和SiC功率半导体的全球市场收入预测(百万美元)

Si、SiC和GaN定位比较

作为新材料的SiC和GaN,与传统硅材料相比,有哪些特性?以SiC为例,如图2所示,从物理特性来看,SiC与硅材料的电子迁移率相差不大,但其禁带宽度、临界场强、热导率和电子迁移速度分别是硅材料的3倍、7倍、3倍和2倍。这意味着基于碳化硅和氮化镓材料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时,具有损耗小、工作频率高、散热性等优点,可以大大提升开关电源的效率、功率密度和可靠性,也更容易满足器件轻薄短小的要求。

图2:Si、SiC和GaN关键参数对比

那么在实际应用中,面对Si、GaN和SiC三种器件共存的情况,IC厂商及产品设计师又该如何进行选择?从总的应用趋势看,传统的硅材料开发时间最久,技术成熟度最高,产品范围最广也最完善,性价比最高,未来依然会是各个功率转换领域的主要器件;氮化镓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、服务器等行业有较快的增长,但相比之下价格缺乏优势;碳化硅耐高温,温度系数变化比较小,如果要考虑“易使用性”和坚固性、耐用度,碳化硅会是不错的选择,例如汽车和太阳能逆变器等。

图3:600V/650V电压等级的CoolMOS、CoolSiC和CoolGaN

如果从具体的专业性应用角度来看,对于氮化镓晶体管和碳化硅MOSFET这两种宽禁带功率半导体的选择,可以遵循以下几点建议:

(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;

(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;

(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;

(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;

(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;

(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。

图4:Si、SiC和GaN在不同温度下的归一化RDS(on)

不过需要注意的是,很多用户对SiC和GaN器件本身的理解依然是基于一些理论和简单测试,要想加快新器件的普及,还需要让工程师能更好的理解应用和器件本身的特性,找到SiC和GaN最合适的应用领域,从系统上产生价值。

以新能源汽车为例,目前来看,GaN在650V以下/SiC在650V以上的电压系统中将会发挥各自的性能优势,电机驱动器(Main Inverter)和车载充电器(OBC)成为能将这两种器件优势最大化的应用。

因此,首先要了解新能源车的应用,找到SiC和GaN能产生价值的应用环境。正如前文所述,相对硅器件,SiC和GaN器件都具有很低的开关损耗和导通损耗,SiC在电机驱动器上的优势尤其明显,凭借高耐压值能够降低损耗,延长行驶里程,达到系统成本平衡。

其次,新能源汽车对器件可靠性的要求比工业标准更严苛,SiC和GaN开关速度更快,增加功率器件的抗干扰能力以及优化驱动电路设计来增强SiC和GaN的易用性,提升系统的可靠性,会让SiC和GaN推广得更快。

最后,在解决了系统应用和器件的技术问题后,系统成本是否有优势必然是最终决策的关键参数。尽管从目前电池电压系统的发展看,SiC在新能源汽车上会有更快速的发展,但SiC晶圆生长周期是Si晶圆的3-5倍,加工难度大,成本降低并非一朝一夕之事。如果能结合Si的成本优势和SiC的性能优势研发混合型功率器件,将会极大扩展SiC的应用范围。

功率器件的大满贯选手

作为同时拥有硅、碳化硅和氮化镓全系列功率器件开发和制造能力的厂商,英飞凌有着更全面的应用经验和客户需求了解,能够根据不同的应用场景提出相应的解决方案,从微安到兆瓦应有尽有,包括高度可靠的IGBT、功率MOSFET、氮化镓增强型HEMT、分立器件,以及所有形式的交直流电源和数字电源转换。

以600V/650V CoolSiC、CoolMOS与CoolGaN的应用定位为例,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。因此,在600V和650V电压等级,CoolMOS、CoolSiC和CoolGaN可以实现共存,以满足电动车充电、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等各种应用的需求。

图5:Si、SiC和GaN在600V和650V电压等级的价值主张

今年2月推出的650V CoolSiC MOSFET器件是英飞凌最具代表性的产品之一。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。

图6:英飞凌650V CoolSiC MOSFET系列

考虑到碳化硅的驱动方式跟传统硅的驱动方式并不相同,为了让使用者能够获得更好的元件性能、更高的稳定度和更优化的设计,英飞凌还提供专用驱动IC搭配其碳化硅MOSFET。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。这个整合了CoolSiC开关和专用栅极驱动器IC的完整方案有助于降低系统成本和总拥有成本,以及提高能效。

想要了解更多英飞凌宽带隙功率解决方案,请关注即将于9月7日-11日举办的“英飞凌云端技术峰会”。届时,英飞凌市场经理程文涛将发表题为“英飞凌的宽带隙功率解决方案:硅、碳化硅、氮化镓”的主题演讲,着重介绍三种材料的技术对比、市场定位以及未来发展趋势。立即报名

责编:Yvonne Geng

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