GaN 和 SiC 器件相似和差異

幾十年來(lái)，硅一直主導(dǎo)著晶體管世界，但這種情況正在逐漸發(fā)生變化。已經(jīng)開(kāi)發(fā)出由兩種或三種材料制成的化合物半導(dǎo)體，并具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和卓越的特性。例如，化合物半導(dǎo)體為我們提供了 LED：一種是由砷化鎵 (GaAs) 和砷化鎵和磷 (GaAsP) 的混合物組成；其他人使用銦和磷。

雖然化合物半導(dǎo)體更難制造且更昂貴，但與硅相比，它們具有顯著的優(yōu)勢(shì)。汽車電氣系統(tǒng)和電動(dòng)汽車 (EV) 等新的、要求更高的應(yīng)用的設(shè)計(jì)人員發(fā)現(xiàn)，化合物半導(dǎo)體更能滿足其嚴(yán)格的規(guī)范。

作為解決方案出現(xiàn)的兩種化合物半導(dǎo)體器件是氮化鎵和碳化硅功率晶體管。這些器件與壽命長(zhǎng)的硅功率 LDMOS MOSFET 和超級(jí)結(jié) MOSFET 競(jìng)爭(zhēng)。GaN 和 SiC 器件在某些方面相似，但有顯著差異。本文將兩者進(jìn)行比較并提供信息以幫助您為下一個(gè)設(shè)計(jì)做出決定。

圖 1：流行的高壓、大電流晶體管和其他設(shè)備以及主要應(yīng)用的功率能力與開(kāi)關(guān)頻率的關(guān)系

寬帶隙半導(dǎo)體

化合物半導(dǎo)體被稱為寬帶隙器件。在不訴諸晶格結(jié)構(gòu)、能級(jí)和其他令人麻木的半導(dǎo)體物理學(xué)的情況下，我們只想說(shuō) WBG 的定義試圖描述電流（電子）如何在化合物半導(dǎo)體中流動(dòng)。

WBG 化合物半導(dǎo)體具有高電子遷移率和更高的帶隙能量，轉(zhuǎn)化為優(yōu)于硅的特性。由 WBG 化合物半導(dǎo)體制成的晶體管具有更高的擊穿電壓和更大的高溫耐受性。對(duì)于高壓和高功率應(yīng)用，這些器件優(yōu)于硅等效器件。

圖 2：雙芯片雙 FET 共源共柵電路將 GaN 晶體管轉(zhuǎn)換為常態(tài)“關(guān)斷”器件，實(shí)現(xiàn)高功率開(kāi)關(guān)電路中標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型操作模式。

WBG 晶體管的開(kāi)關(guān)速度也更快，并且可以在比硅更高的頻率下運(yùn)行。較低的導(dǎo)通電阻意味著它們消耗的功率較少，從而提高效率。這種獨(dú)特的特性組合使這些器件對(duì)汽車應(yīng)用中使用的一些最苛刻的電路具有吸引力，尤其是混合動(dòng)力電動(dòng)汽車 (HEV) 和 EV。

GaN 和 SiC 晶體管正變得越來(lái)越容易用于解決汽車電子設(shè)備的挑戰(zhàn)。GaN 和 SiC 器件的關(guān)鍵要點(diǎn)是以下優(yōu)勢(shì)：

具有 650、900 和 1,200 V 器件的高壓能力
更快的切換速度
更高的工作溫度
更低的傳導(dǎo)電阻，最小的功耗和更高的效率

氮化鎵晶體管

GaN 晶體管在射頻 (RF) 功率領(lǐng)域找到了早期的利基。材料的性質(zhì)導(dǎo)致了耗盡型（d 型）場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）的發(fā)展。d 型 FET 被稱為假晶高電子遷移率晶體管 (pHEMT)，自然是“導(dǎo)通”器件；沒(méi)有柵極控制輸入，存在自然傳導(dǎo)通道。柵極輸入信號(hào)控制通道導(dǎo)通并打開(kāi)和關(guān)閉器件。

由于通?！瓣P(guān)閉”的增強(qiáng)模式（e 模式）器件在開(kāi)關(guān)應(yīng)用中是首選，這導(dǎo)致了 e 模式 GaN 器件的開(kāi)發(fā)。第一個(gè)是兩個(gè) FET 器件的級(jí)聯(lián)（圖 2）；現(xiàn)在，可以使用標(biāo)準(zhǔn)的 e-mode GaN 器件。它們可以在高達(dá) 10 MHz 和高達(dá)數(shù)十千瓦的頻率下進(jìn)行切換。

GaN 器件廣泛用于無(wú)線設(shè)備，作為頻率高達(dá) 100 GHz 的功率放大器。一些主要用例是蜂窩基站功率放大器、軍用雷達(dá)、衛(wèi)星發(fā)射機(jī)和通用射頻放大。然而，由于它們的高電壓（高達(dá) 1,000 V）、耐高溫和快速開(kāi)關(guān)，它們也被納入各種開(kāi)關(guān)模式電源應(yīng)用，如 DC/DC 轉(zhuǎn)換器、逆變器和電池充電器。

碳化硅晶體管

SiC 晶體管是自然的 e-mode MOSFET。這些器件可以在遠(yuǎn)高于硅 MOSFET 的電壓和電流水平下以高達(dá) 1 MHz 的頻率進(jìn)行開(kāi)關(guān)。最大漏源電壓高達(dá)約 1,800 V，電流能力可達(dá) 100 A。此外，SiC 器件的導(dǎo)通電阻遠(yuǎn)低于硅 MOSFET，使其在所有開(kāi)關(guān)電源應(yīng)用中的效率更高。一個(gè)主要缺點(diǎn)是它們需要比其他 MOSFET 更高的柵極驅(qū)動(dòng)電壓，盡管隨著設(shè)計(jì)的改進(jìn)，這種情況正在發(fā)生變化。

SiC 器件需要 18 到 20 V 的柵極驅(qū)動(dòng)電壓來(lái)開(kāi)啟具有低導(dǎo)通電阻的器件。標(biāo)準(zhǔn) Si MOSFET 需要小于 10 V 的柵極才能完全導(dǎo)通。此外，SiC 器件需要 –3- 至 –5-V 柵極驅(qū)動(dòng)器以切換到“關(guān)閉”狀態(tài)。然而，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了特殊的柵極驅(qū)動(dòng) IC 來(lái)滿足這種需求。碳化硅 MOSFET 通常比其他替代品成本更高，但它們的高電壓、高電流能力使其非常適合汽車電源電路。

WBG晶體管競(jìng)賽

GaN 和 SiC 器件都與其他成熟的半導(dǎo)體競(jìng)爭(zhēng)，特別是 Si LDMOS MOSFET、超級(jí)結(jié) MOSFET 和 IGBT。在許多應(yīng)用中，這些較舊的器件正逐漸被 GaN 和 SiC 晶體管所取代。

例如，在許多應(yīng)用中，IGBT 正在被 SiC 器件取代。SiC 器件可以在更高的頻率（100 kHz 或更高，相對(duì)于 20 kHz）進(jìn)行開(kāi)關(guān)，從而在提高效率的同時(shí)減小任何電感器或變壓器的尺寸和成本。SiC 還可以處理比 GaN 更大的電流。

總結(jié) GaN 與 SiC 的比較，以下是亮點(diǎn)：

GaN 的開(kāi)關(guān)速度比 Si 快。
SiC 的工作電壓高于 GaN。
SiC 需要高柵極驅(qū)動(dòng)電壓。

超級(jí)結(jié) MOSFET 正逐漸被 GaN 和 SiC 所取代。SiC 似乎是車載充電器 (OBC) 的最愛(ài)。隨著工程師發(fā)現(xiàn)更新的設(shè)備并獲得使用經(jīng)驗(yàn)，這一趨勢(shì)無(wú)疑將繼續(xù)下去。

汽車應(yīng)用

許多電源電路和設(shè)備可以通過(guò)使用 GaN 和 SiC 進(jìn)行設(shè)計(jì)來(lái)改進(jìn)。最大的受益者之一是汽車電氣系統(tǒng)。現(xiàn)代 HEV 和 EV 包含可以使用這些設(shè)備的設(shè)備。一些流行的應(yīng)用是 DC/DC 轉(zhuǎn)換器、OBC、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和 LiDAR。圖 3指出了電動(dòng)汽車中需要大功率開(kāi)關(guān)晶體管的主要子系統(tǒng)。

圖 3：用于 HEV 和 EV 的 WBG 車載充電器。交流輸入經(jīng)過(guò)整流、功率因數(shù)校正，然后進(jìn)行 DC/DC 轉(zhuǎn)換（一個(gè)輸出用于為高壓電池充電，另一個(gè)用于為低壓電池充電）。

DC/DC轉(zhuǎn)換器

這些電源電路將高電池電壓轉(zhuǎn)換為較低電壓以操作其他電氣設(shè)備。電池電壓現(xiàn)在最高可達(dá) 600 或 900 V。DC/DC 轉(zhuǎn)換器將其降至 48 或 12 V 或兩者，以便其他電子組件運(yùn)行（圖 3）。在 HEV 和 EV 中，DC/DC 轉(zhuǎn)換器也可用于電池組和逆變器之間的高壓總線。

OBCs

插入式 HEV 和 EV 包含一個(gè)連接到交流電源的內(nèi)部電池充電器。這允許在沒(méi)有外部 AC-DC 充電器的情況下在家充電（圖 4）。

牽引電機(jī)驅(qū)動(dòng)器

牽引電機(jī)是驅(qū)動(dòng)車輪的高輸出交流電機(jī)。驅(qū)動(dòng)器是一個(gè)逆變器，可將電池電壓轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的三相交流電。

激光雷達(dá)

LiDAR 是指一種結(jié)合光和雷達(dá)方法來(lái)檢測(cè)和識(shí)別周圍物體的技術(shù)。它使用脈動(dòng)紅外激光掃描 360° 區(qū)域并檢測(cè)反射光。該信息被轉(zhuǎn)換為大約 300 米范圍內(nèi)場(chǎng)景的詳細(xì) 3D 圖片，分辨率為幾厘米。其高分辨率使其成為車輛（尤其是自動(dòng)駕駛）的理想傳感器，可提高對(duì)附近物體的識(shí)別能力。LiDAR 裝置使用 DC/DC 轉(zhuǎn)換器提供的 12 至 24 V 范圍內(nèi)的直流電壓工作。