不久前，SiC和GaN器件的應用還被認為是困難的，但到了2018年，這些技術的優勢開始被應用到現實生活中。這項新技術成功背后的原因是什么？

SiC 和 GaN 被稱為寬帶隙 (WBG) 半導體，因為將這些材料的電子從價帶炸開到導帶所需的能量：而在硅 (Si) 的情況下，該能量為 1.1 eV， SiC 為 3.3 eV，GaN 為 3.4 eV。這導致更高的適用擊穿電壓，在某些應用中可達到 1,200 至 1,700 V。由于所使用的生產工藝，WBG 設備具有以下優勢：

非常低的內部電阻，與硅等效器件相比，效率提高高達 70%

低電阻提高了熱性能（隨著最高工作溫度的增加）和散熱，以及可獲得的功率密度

與 Si 等效器件相比，散熱優化允許使用更簡單的封裝、顯著減小的尺寸和更輕的重量

非常短的關斷時間（在 GaN 的情況下接近于零），允許使用非常高的開關頻率以及達到的較低溫度

經典電力電子設備中使用的所有類型的設備都可以使用 WBG 設備制造。此外，經典的硅器件在許多應用領域已經達到了極限。鑒于這些前提，很明顯 WBG 技術是電力電子未來的基礎，并為各種應用領域的新可能性奠定了基礎。

SiC 和 GaN 的區別
每種類型的器件，無論是硅器件還是新型 WBG，都根據應用類型所需的功率和頻率性能擁有其市場份額。

盡管在概念層面有相似之處，但 SiC 和 GaN 組件不能相互互換，而是根據它們在其中運行的系統內的使用參數而有所不同。

特別是，SiC 器件可承受更高的電壓，高達 1,200 V 或更高，而 GaN 器件可承受更低的電壓和功率密度；另一方面，由于 GaN 器件的關斷時間幾乎為零（與 Si MOSFET 的 50 V/s 相比，電子遷移率高，因此 dV/dt 大于 100 V/s），這些可以是用于非常高頻的應用，具有前所未有的效率和性能。這種理想的積極特性可能會帶來不便：如果組件的寄生電容不接近于零，則會產生數十安培數量級的電流尖峰，這可能會導致電磁兼容性測試階段出現問題。

由于采用 TO-247 和 TO-220 的可能性，SiC 器件在所使用的封裝上具有進一步的優勢，這允許用新的 SiC 器件快速替換 IGBT 和 MOSFET，而 GaN 器件使用 SMD 封裝（即更輕更小，但歸入新項目）。

另一方面，這兩種器件的一個共同挑戰與柵極驅動器的設計和構造有關，能夠充分利用組件的特定特性，并注意寄生組件（在為了避免較弱的性能）和適用電壓水平（希望類似于用于驅動經典硅組件的電壓）。

在成本方面，SiC 器件現在更便宜且更受歡迎，因為它們是在 GaN 之前制造的。然而，不難想象，成本只是部分與生產過程有關，與市場需求有關，這就是價格可能趨于平緩的原因。

由于 GaN 襯底的生產成本較高，使用GaN “通道”的器件具有 Si 襯底。最近幾個月，瑞典林雪平大學與其衍生公司 SweGaN 合作，按照使用 SiC 襯底和新晶圓生長工藝（稱為變形異質外延，可防止結構缺陷的存在）的想法進行了一些研究)，從而獲得與 SiC 器件相當的最大電壓，但能夠在 GaN-on-Si 的頻率下工作。這項研究還強調了采用這種機制如何改進熱管理、超過 3 kV 的垂直擊穿電壓以及與當今解決方案相比小于一個數量級的導通狀態電阻。

應用和市場
WBG 設備的應用領域仍然是一個小眾市場，研發部門仍需更好地了解如何充分發揮其潛力。最大的新技術市場是二極管市場，但 WBG 預計將在未來五年內涌入晶體管市場。

已經開始假設可能的應用，預測表明電動汽車、電信和消費市場是最合理的。

根據銷售預測，最賺錢的市場將是涉及電動汽車和自動駕駛汽車的市場，其中 WBG 將用于逆變器、車載充電設備（OBC）和防撞系統（LiDAR），這是顯而易見的，鑒于新器件的熱特性和效率與優化蓄電池性能的要求相匹配。

在電信方面，5G 的作用將成為 WBG 的驅動力，其將安裝的數百萬個站點將需要更高的能效，也將更小更輕，性能大幅提升并降低成本。

消費市場也將涉及新設備的大量使用。由于移動設備的日益普及以及對快速充電的需求，無線電力和充電設備將主要受到影響。

SiC 和 GaN 器件
英飛凌開發了各種 SiC 和 GaN MOSFET 器件及其驅動器 CoolSiC 和 CoolGaN 系列。值得注意的是 FF6MR12W2M1_B11 半橋模塊，它能夠在 1,200 V 時提供高達 200 A 的電流，R DS(on)電阻僅為 6 mΩ。該模塊配備兩個 SiC MOSFET 和一個 NTC 溫度傳感器，適用于 UPS 和電機控制應用，注重效率和散熱（圖 1）。

Microsemi 目錄中有一個類似的解決方案，即 Phase Leg SiC MOSFET 模塊，它利用 SP6LI 系列，允許高達 1,700 V 的電壓和大于 200 A 的電流；AlN 襯底可確保更好的熱管理，兩個 SiC 肖蒂二極管可提高開關頻率。

Wolfspeed 憑借其 CAB450M12XM3 緊跟市場步伐，該半橋器件能夠管理高達 1,200 V 的電壓和 450 A 的電流，由于使用了第三代 MOSFET，因此適合在高達 175°C 的連續模式下工作與 SiN 襯底。

縱觀 GaN 世界，很明顯，可用的各種器件是有限的。GanSystem 在其目錄中提供了 GS-065-150-1-D，這是一種利用專利島技術的晶體管，能夠在大于 10 MHz 的開關頻率下管理高達 650 V 和 150 A 的電流。

最后，Transphorm 的 TP90H050WS FET 將于 2020 年年中亮相，Transphorm 正在開發一款采用 TO-247 封裝的 GaN 器件，其工作電壓可達到 900 V，上升和下降時間約為 10 ns（圖 2）。

圖 1：FF6MR12W2M1_B11 半橋模塊

圖 2：TP90H050WS 場效應管

審核編輯 黃昊宇