SiC和GaN,新兴功率器件如何选?

发布网友发布时间：2022-04-23 09:33

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热心网友时间：2023-10-09 15:42

SiC肖特基二极管已经有10年以上历史，但SiC MOSFET、SiC JFET和SiC BJT近年才出现，GaN功率器件更是刚刚才在市场上出现。他们谁会成为未来新兴功率器件市场的主角？我们现在应该选用他们吗？在这些新兴功率器件中，我们选取了其中最具代表性的产品逐一介绍，在对比中触摸他们的发展脉搏，看看谁将在未来新兴功率器件市场中胜出？我们又该如何选择？高效、高可靠性：SiC BJT产品可实现较高的效率、电流密度和可靠性，并且能够顺利地进行高温工作。此外，SiC BJT有优良的温度稳定性，在高温工作的特性跟常温时没有差别。SiC BJT其实具备了所有IGBT的优点并同时解决了所有使用IGBT设计上的瓶颈。由于IGBT是电压驱动，而SiC BJT 是电流驱动，设计工程师要用SiC BJT取代IGBT，开始时可能会不习惯，但是器件供应商，如飞兆半导体，一般都会提供参考设计，以帮助工程师设计驱动线路。将来这方面的专用驱动芯片推出后，使用SiC BJT就会更简化。损耗低，可降低成本：SiC BJT的Vce降低了47%，Eon降低了60%，Eoff降低了67%。SiC BJT可提供市场上最低的传导损耗，室温时，每平方厘米Ron小于2.2毫欧姆。SiC BJT可提供最小的总损耗，包括驱动器损耗。SiC BJT是有史以来最高效的1200V 功率转换开关，SiC BJT实现了更高的开关频率，其传导和开关损耗较IGBT低(30-50%)，从而能够在相同尺寸的系统中实现高达40%的输出功率提升。2KW从400V到800V的升压电路，用硅IGBT实现时只能实现25KHz开关频率，而且需要用到5个薄膜电容，而用SiC BJT实现时，不仅开关频率可做到72KHz，而且只需要用到2个薄膜电容，散热器尺寸、电感尺寸都降低三分之一，亦即可用更小的电感，从而大大节省系统总BOM成本。提高电源的开关频率，实现高频化：传统IGBT最大缺点是开关速度慢，工作频率低，它在关断时有个电流尾巴会造成很高的关断损耗。SiC BJT开关速度快又没有IGBT关断是电流尾巴，所以开关损耗很低。在相同额定耐压情况下，SiC BJT的导通内阻也比IGBT的VCE(sat) 来得低，这可以减少传导损耗。SiC BJT最佳的应用场合是大于3000W功率的电源设计，这类电源很多是用IGBT来做开关器件，以达到成本及效率上的最佳化。设计工程师如果用SiC BJT来取代IGBT，是可以很容易把电源开关频率大幅提升，从而缩小产品的体积以并提升转换效率。由于频率的提升，在设计上也可以减少周边电路所需的电感，电容的数目，有助于节省成本。另一方面，SiC BJT的开关速度很快，可在<20nS内完成开关动作，这样的速度甚至比MOSFET还快，所以它也是可以用来取代MOSFET的。跟双极型IGBT器件比较，SiC BJT具有更低的导通内阻，能进一步降低传导损耗。SiC BJT的高温度稳定性，低漏电，都超越了IGBT及MOSFET。此外，它的内阻呈正温度系数变化，很容易并联起来使用以作大功率的电源设计。飞兆半导体亚太区市场营销副总裁蓝建铜提到“受制于制造成本和产品良率影响，目前阻碍SiC产品大规模进入市场的主要原因是价格昂贵，一般是同类Si产品的10倍左右。我个人认为2013年SiC市场将正式启动，在未来2-3年SiC BJT器件有可能首先成为最先被市场接受的产品。在2015年左右SiC器件产品良率将会大幅度提升，价格也将下降，那时SiC产品可能会实现规模应用。”图1：碳化硅（SiC）市场发展预测飞兆针对SiC BJT产品已经有了一个完整的产品路线图。现在飞兆SiC BJT解决方案驱动部分还是分立式的，下一步我们首先开发SiC BJT驱动IC。SiC BJT驱动器和其他以往同类器件有很大的不同，由于通过电流很大需要特需驱动IC,所以飞兆有必要开发出专属IC，防止EMC干扰。” 蓝建铜说。图2：飞兆SiC BJT驱动规划图那么SiC MOSFET与SiC BJT相比有什么优势呢？SiC MOSFET是在2010 年中推出市场的，这期间有不少工程师开始接触到SiC MOSFET，对它的特性也比较了解。SiC MOSFET在使用上，尤其是驱动方面是很接近传统的IGBT，所以取代IGBT占有一些优势。但是SiC BJT的生产成本比SiC MOSFET来得高，长期而言，哪一类的SiC解决方案会被市场接受将会取决于成本。此外，许多设计工程师也关注SiC MOSFET闸极氧化层(oxidation layer)在长期工作的可靠性，是有可能会影响器件的工作寿命，而SiC BJT在结构上则没有这个闸极氧化层，在可靠性是没有这个隐忧。到2022年，SiC MOSFET营收预计可达到4亿美元，超过SiC肖特基二极管成为最受市场欢迎的SiC分立器件。与此同时，预计SiC JFET和SiC BJT到2022年的营收将不到SiC MOSFET的一半，尽管它们有可能已实现良好的可靠性、价格和性能。目前终端用户偏好SiC MOSFET，因为成本的问题。但是为了提高产品的性能，SiC BJT将会作为首选。所以目前SiC BJT供应商目前面临的一个主要挑战是如何教育它们的潜在客户接受这些新的技术。GaN刚刚起步但后劲十足GaN是一种宽带隙材料，可提供类似SiC的性能特色，但有更大的成本降低潜力。这一性价比优势是有可能实现的，因为GaN功率器件可在硅衬底上生长出来，与SiC衬底相比，它的成本更低。GaN 在 600V/3KW 以下的应用场合比较占优势，并有可能在这些应用取代MOSFET或IGBT, 这些应用包挂了微型逆变器，伺服器，马达驱动, UPS。由于全球经济的不景气和SiC的价格下降幅度并不如预期的大，SiC和GaN功率器件需求市场近几年并没有出现强烈增长。与之相反，业界对GaN技术的信心开始增长，因为更多的半导体供应商宣布了GaN开发计划。例如，Transphorm已经成为第一家。决定GaN功率器件未来市场增长速度的关键因素是GaN功率器件的成本和性能多快做到与硅MOSFET差不多的水平，CNT预计这有可能要到2019年才能实现，一旦2019年业界能实现这一点，我们预计2022年的GaN功率器件需求市场将超过10亿美元。GaN发展之路才刚刚开始，以品质因数RQ代表的基本器件性能将得到根本性的提升。随着人们对材料和工艺的进一步了解，在今后三年内性能极有希望提高2倍，在今后10年内有望提高10倍。