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SiC和GaN的现状,你了解吗?

2020-05-25
来源:21ic中国电子网
关键词: GaN 宽禁带 SiC

什么是SiCGaN?它有什么作用?SiC和GaN被称为“宽禁带半导体”(WBG),因为将这些材料的电子从价带扩散到导带所需的能量为:在硅中,该能量为1.1eV, SiC(碳化硅)为3.3eV,GaN(氮化镓)为3.4eV。这导致较高的适用击穿电压,在某些应用中可以达到1200至1700V。由于使用了生产工艺,WBG设备显示出以下优势:

极低的内部电阻,与硅等效器件相比,效率最高可提高70%。低电阻可改善热性能(随着最高工作温度的增加)和散热,以及可实现的功率密度的优化散热允许使用更简单的封装,与硅等效器件相比,尺寸大大减小,重量更轻;非常短的关断时间(对于GaN而言接近零)允许使用非常高的开关频率,同时达到较低的温度。


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WBG设备可以制造经典电力电子设备中使用的所有类型的设备。此外,经典的Si器件已在许多应用领域中达到其极限。在这些前提下,很明显,WBG技术对于电力电子的未来至关重要,并且为各种应用领域中的新可能性奠定了基础。

SiC和GaN的区别

根据应用类型所需的功率和频率性能,硅和新型WBG两种类型的设备都有其市场份额。

尽管在概念上存在相似之处,但SiC和GaN组件无法相互互换,但会根据其运行系统内的使用参数而有所不同。

特别是,SiC器件可以承受更高的电压,最高可达1200V甚至更高,而GaN器件可以承受更低的电压和功率密度。另一方面,由于GaN器件的关断时间几乎为零(高电子迁移率,因此dV / dt大于MOSFET Si的50V / s,因此dV / dt大于100V / s),因此这些器件可以用于高频应用,具有空前的效率和性能。这种理想的正特性可能会带来不便:如果组件的寄生电容不接近零,则可能会产生数十安培的电流尖峰,这可能会导致电磁兼容性测试阶段出现问题。

SiC在使用的封装上具有更多优势,这是因为可以采用TO-247和TO-220,从而可以用新的SiC快速替换IGBT和MOSFET,而GaN可以在SMD封装中提供更好的结果(重量更轻,小但降级到新项目)。

另一方面,对于两种类型的器件来说,共同的挑战与栅极驱动器的设计和构造有关,该驱动器能够充分利用特定于组件的特性,同时要注意寄生组件(为了避免性能变差,必须将寄生组件最小化)和适用电压水平(希望与用于驱动传统硅组件的电压相似)。

就成本而言,SiC器件现在更便宜,更受欢迎,这也是因为它们是在GaN之前制造的。但是,不难想象,成本仅与生产过程以及市场需求部分相关,这就是为什么市场价格可能趋于平缓的原因。

由于GaN衬底的生产成本较高,因此使用GaN“通道”的设备具有Si衬底。最近几个月,瑞典林雪平大学与衍生出来的SweGaN合作,进行了一些研究,这些研究遵循了使用SiC衬底和新的晶圆生长工艺(称为变质异质外延,可防止结构缺陷的存在)的想法 ,从而获得可与SiC器件相比的最大电压,但能够以GaN的频率在Si上工作。这项研究还强调了采用这种机制如何能够改善热量管理,3kV以上的垂直击穿电压以及与今天的解决方案相比处于ON状态的电阻小于一个数量级。

应用程序和市场

WBG设备的应用领域仍然是一个小众市场,研发人员仍然需要更好地了解如何最大限度地发挥他们的潜力。最大的新技术市场是二极管市场,但WBG预计将在未来5年内淹没晶体管市场。

目前已经开始假设了可能的应用,预测显示,电力移动、电信和消费市场是最有可能的。

根据销售预测,利润最丰厚的市场将是一个涉及电迁移和自动驾驶车辆,世行集团将用于逆变器、车载充电设备(OBC)和防撞系统(激光雷达),这是显而易见的,给定的热特性和效率与请求相匹配的新设备,优化蓄电池的性能。

在电信方面,5G的作用将成为世界银行集团的驱动力。世界银行集团要安装的数百万个基站将需要更高的能源效率,它们的体积也会更小、更轻,性能会有显著提升,成本也会大幅降低。

消费者市场也将大量使用新设备。无线电源和充电设备将主要受到影响,因为移动设备的日益普及和快速充电的需求。

碳化硅和氮化镓器件

英飞凌已经开发了一系列的碳化硅和氮化硅MOSFET器件及其驱动程序,CoolSiC和CoolGaN系列。值得注意的是FF6MR12W2M1_B11网格模块,它能够提供200 1200 v, RDS的只有6 mΩ阻力。该模块配备了两个SiC mosfet和一个NTC温度传感器,适用于UPS和电机控制应用,考虑到效率和散热(图1)。

在Microsemi catalog(现在的微芯片技术)中也有类似的解决方案,使用SP6LI器件族的Phase Leg SiC MOSFET模块,允许电压高达1700V,电流大于200A;AlN基片保证了更好的热管理,两个SiC肖特基二极管允许增加开关频率。

Wolfspeed公司生产的CAB450M12XM3半桥式装置能够控制高达1200V的电压和450A的电流,由于使用了第三代mosfet和SiN衬底,所以可以在175°C的连续模式下工作。

当我们看一看GaN世界,很明显,可用的设备种类是有限的。GanSystem在其产品目录中提供了GS-065-150-1-D,这是一种利用Island专利技术的晶体管,能够在超过10MHz的开关频率下管理高达650V和150A。最后,Transphorm的TP90H050WS FET将在2020年中期见光,它正在使用TO-247封装的GaN器件上工作,其工作电压可达900V,上升和下降时间约为10nS(图2)。以上就是SiC和GaN的解析,希望能给大家帮助。


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