近幾年，中國碳化硅（SiC）項目可謂遍地開花，據中國電子材料行業協會半導體材料分會統計，截至今年5月，我國從事SiC襯底研制的企業已經有30家，還不包括中國電科46所、硅酸鹽所、浙江大學和天津理工大學等純研究機構。

幾年來，這些單位的規劃總投資已經超過300億元，總產能超過180萬片/年。專家預計，2022年，此類產品成本逐步下降之后，國內產品有望實現部分國產替代。

寬禁帶（WBG）半導體包括碳化硅還有氮化鎵（GaN），其啟蒙階段的“頂流”喧囂已漸進尾聲，正在進入量產啟動平臺。器件有了，怎么用就是下一階段要考慮的主要問題了。

急于求成，事半功倍

毋庸置疑，WBG器件是硅器件的有益補充，市場上已經很容易買到。特別是在較高電壓下，工程師們很愿意在他們的產品中使用高性能SiC整流器及MOSFET和GaN器件。不過，WBG技術主流化的道路比預期的更艱難。

TSC應用工程總監Kevin Parmenter回憶道：“差不多10年前，我曾與一家由工藝技術和半導體物理方面的知名專家組成的創業公司合作。那時GaN技術很新，前景令人驚訝：高速器件意味著工程師可以使用小10倍的磁性元件！他們將能實現5MHz的開關頻率，并獲得99.9%的效率！”

他說，投資者急于見到回報，在其敦促下，這家公司想盡快將器件推向市場。他們認為，將明天的技術融入80年代的封裝，客戶就可以將新器件插入現有設計中。這個想法在理論上是合乎邏輯的，但實際上它沒有奏效。

為什么會這樣？因為缺少一個生態環境，也缺乏客戶培訓。由于WBG器件開關邊沿時間不適合采用高寄生性封裝，因此有必要對工程師進行PCB布局和阻抗匹配方面的培訓，還必須考慮和構建控制技術等。

與所有新公司一樣，長期的規劃需要考驗投資者的耐心，WBG技術更是這樣。

好消息是，使用GaN無橋圖騰柱拓撲的Titanium服務器電源，以及GaN+數字控制的AC-DC和DC-DC電源轉換器都已出現。我們看到，將WBG技術應用到產品中的好處和總體價值已超過了它所涉及的風險。而且，生態系統已開始建立起來，隨著時間的推移，封裝或根本沒有封裝都能夠發揮GaN的優勢。

今天，GaN和SiC器件的生產能力正在迅速擴大，測量GaN和SiC電路超快特性的測試設備也有了很大改進，設計人員也開始使用數字混合信號控制器對WBG器件進行優化和編程。總體上看，WBG技術正在發展成為具有完整功能模塊的產品，甚至還集成了控制器。

選擇GaN或SiC器件有訣竅

每位工程師都想要一個完美的開關，它能在開和關兩種狀態之間瞬間切換，而且在兩種狀態下都不會有損耗。要在切換時實現盡可能低的損耗，依賴于具有多種特性的開關，包括無限的擊穿電壓，關閉時不允許任何電流流動，打開時不維持其間的電壓差，且開關非常迅速。

事實上，這樣的開關是不存在的。真正的開關擊穿電壓是有限的，關閉時有泄漏電流，打開時維持電壓，狀態之間切換需要一定時間。所有真正的開關總是會消耗一些能量，無論是開啟還是關斷。

不過，新技術拓寬了開關選項，特別是對高壓開關器件。以SiC和GaN為代表的技術為工程師改進電路提供了各種選擇，使我們更接近理想開關。與以往一樣，新技術也會為這些優勢付出代價，但這往往會被電路設計中其他部分的節省以及性能提高的商業價值所抵消。

例如，硅晶圓的生長成本要比SiC晶圓低得多，因為其制造工藝經過了量產的優化。切割、研磨和拋光SiC晶圓比硅需要更長的時間，但這些額外費用是值得的，因為寬禁帶材料具有更有用的特性。

Avnet高級功率技術應用工程師Udo Blaga認為，選擇GaN或SiC器件需要在其性能、成本、工作要求、尺寸、熱效率和可用性之間進行設計選擇的權衡。而這樣的的問題幾乎可以自己解決。

他說：“在3歐元插頭電源中，用SiC MOSFET代替硅MOSFET顯然沒有意義。但用SiC二極管代替硅外延二極管來提高電源功率因數校正（PFC）很值得。這將提高其轉換效率1%或2%，也可提供散熱和設計方面的額外好處。”

在某些情況下，用SiC MOSFET代替硅器件需要調整電路的驅動級，以提供更高的柵極開啟電壓，并處理有時可能為負的柵極關斷電壓。匹配所需的驅動器級和晶體管的柵極驅動器件已有成品。做出這種改變的好處是，它將使設計的開關頻率增加三到五倍。這樣就可以通過使用較小的磁性元件和其他無源元件來節省空間。

WBG的高工作溫度范圍對某些工業和汽車應用可能是一個有吸引力的選擇。但是，這些市場對新技術的使用持保守態度，因為他們需要新技術有很長的使用壽命。一些SiC器件供應商通過引入諸如“動態H3TRB高溫、高濕反向偏壓”等試驗來解決這一問題，以證明其器件的質量與傳統硅替代品相似。

目前，GaN技術主要用于制造650V單相電網供電設備，如開關電源、充電器和適配器、高壓PFC、DC-DC和DC-AC轉換器、UPS系統和小型太陽能逆變器等。

Udo Blaga還給出了一種選擇不同類型半導體器件和材料的簡單方法——根據工作條件選擇器件。

以H橋AC-DC轉換器設計為例。DC母線電壓為370V，變壓器電流約為3A，開關頻率為15至25kHz。出于安全考慮，選擇了一種能夠維持650V開關和至少30A的連續漏極電流的元件，沒有使用任何膠連邏輯，計劃使用硅IGBT、硅超結（SJ）、SiC或GaN器件。

簡單的100W輔助電源SiC MOSFET示例

憑借工作條件，回答關于這些條件的問題即可做出選擇：

? 電路設計是否會以低于20kHz頻率開關？

? 功率水平是否高于3kW？

? 如果低成本很重要，器件是否低成本？

? 是否由三相電網供電？

如果上述問題的答案都是“是”，那么最好的選擇就是硅IGBT。

如果設計不符合這些標準，那么回答下一組問題以縮小選擇范圍：

? 開關頻率是否在20kHz和100kHz之間？

? 是否在各種線路和負載條件下運行？

? 是否需要以中等成本實現高效率？

? 是否由單相電網供電？

如果設計符合這些特性，那么最好的器件選擇是硅超級結MOSFET。

如果設計不符合這些標準，可以繼續回答問題：

? 開關頻率是否高于100kHz？

? 是否在各種線路和負載條件下運行？

? 這是一種高功率設計，運行功率高達幾千瓦，需要高效率嗎？

? 是否允許功率雙向流動？

? 是否由三相電網供電？

如果這些條件適用，那么最佳的器件選擇是SiC MOSFET。

如果還沒有找到需要的器件，應該回答以下問題：

? 開關頻率是否會高于100kHz且在MHz范圍內？

? 是否能在各種線路和負載條件下運行？

? 是否應支持中等功率水平，高達幾百瓦，具有最大功率密度和效率？

? 是否由單相電網供電？

如果設計符合這些標準，最好的選擇應該是GaN MOSFET。

另一種方法是根據目標應用選擇器件。一般來說，250W以上的電機驅動器、3kW以上的PFC電路、5kW以上的太陽能/風能逆變器以及UPS和焊接H橋逆變器應使用硅IGBT設計。

而對于250W以下的電機驅動器、75W和3kW之間的DC-DC轉換器、低中功率PFC電路和LCC轉換器、正激轉換器電源、通用輸入AC-DC反激電路和太陽能微型逆變器，應使用硅超級結MOSFET。

更高功率的設計，如3kW以上的功率因數校正電路、5kW以上的太陽能逆變器，電動汽車和車載充電器，以及一些不間斷電源和嵌入式功率因數校正電路，應該使用SiC MOSFET。

最后，由單相電網線供電、工作電壓低于650V、功率75W至750W，需要小巧、涼爽和便攜的應用應可以用GaN MOSFET設計。

設計選擇有很多，如性能、成本、工作要求、尺寸、熱效率、可用性等。使用SiC和GaN技術會引入更多選項，使這些權衡變得更加復雜，但在某些應用中，它可以使設計更接近完美開關的特性。

越過GaN驅動的陷阱

自從十多年前第一批問世以來，在電力電子領域，GaN晶體管相對于硅MOSFET的優勢已經盡人皆知。事實上，GaN材料特性為給定導通電阻提供了更低寄生電容、固有的快速開關瞬態、反向恢復和高溫工作能力。這些優異性能似乎是高性能功率轉換器的完美體現，如更高的功效、更高的功率密度、潛在的無散熱片/風扇設計等。

然而，為了獲得最佳的GaN技術性能，需要對柵極驅動進行優化，在嚴格的電壓和時間窗口內控制柵極源電壓。對于典型半橋，這意味著在高電壓（如200V）和高dV/dt（如100V/ns）時，高壓側柵源電壓會上下浮動。如此嚴格的工作條件要求有優化和專用的柵極驅動技術，因為只有利用專用柵極驅動器才能實現GaN的真實性能。

MinDCet首席技術官Jef Thone推薦用MDC901 GaN柵極驅動器來避免掉進GaN驅動沿途的陷阱，實現以下一些功能。

高轉換率

GaN功率級的一大優點是快速開關能力，可以實現非常低的開關損耗。低側和高側晶體管之間的快速開關可導致負載電流非常快地交替，從而限制總線電壓解耦及其寄生總線環路電感。MDC901具有獨立上拉和下拉路徑，可以調節輸出級的轉換速率，同時保持GaN晶體管的低阻抗下拉路徑，以避免寄生導通。

死區時間

半橋中的死區時間是晶體管關斷和互補橋晶體管導通之間的時間。為了獲得最佳效率，需要針對給定應用調整死區時間。MDC901具有單獨死區時間控制功能，可通過一系列數字輸入來開/關，對給定應用死區時間進行靜態或動態調整。此外，故障安全工作模式可基于感測GaN柵極電壓來設置死區時間。

柵極過充

在非隔離式應用中，柵極驅動器通過低壓電源自舉供電。該技術通過快速高壓二極管為高壓側柵極驅動電源的去耦電容充電。感應電壓尖峰或非零死區時間將導致負半橋輸出電壓，可能出現對GaN柵極有害的過充電。MDC901通過在自舉二極管后的高側和低側域中放置全浮置穩壓器，避免負電壓工作期間柵極過充電的風險。這將產生一個定義良好且可靠保護的柵極驅動器電壓。

負輸出電壓運行

輸出驅動電壓的負擺幅取決于寄生源電感和功率轉換器的負載條件，它很難預測。MDC901專門設計的電平轉換單元和浮動電源允許負輸出電壓運行至-4V，即使在高感應電流下也可實現精確的柵極控制。

高占空比運行

柵極驅動器的自舉是在半橋中提供電荷以控制高壓側晶體管的簡單而有效的方法。不過，前置驅動系統中所需的支持電路的偏置會導致自舉電壓泄漏，需要設置可維持的最大占空比或限制可使用的調制深度。對于高占空比應用（如電機驅動器和D類放大器），必須在較長時間內保持高壓側開啟狀態。該功能在MDC901中通過集成電荷泵實現，可在100%占空比條件下補償DC偏置。

為了發揮GaN功率級的真正優點，需要有一個專門用于GaN晶體管的優化柵極驅動器。這樣，GaN的功能才可以被推到極限，產生盡可能高的性能，從而提供最大的技術和投資回報。

寫在最后主流化漸行漸近

WBG技術的應用前景非常光明，用它開發的新產品會有巨大的增長潛力。在硅雙極結晶體管（Bipolar Junction Transistor，BJT）讓位給開關硅MOSFET 40年之后，我們看到了電力電子技術的“第二次革命”，而WBG正是這場革命的催化劑。

編輯：jq