[分享] 碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN)发展的最新动态

碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN) 在电力电子产品中越来越受欢迎，尤其是在汽车应用中，随着产量的扩大以及对更好的工具设计、验证和测试这些宽带隙器件的需求增加，降低了成本.

事实证明， SiC和GaN在电动汽车电池管理等领域都是必不可少的。它们可以处理比硅更高的电压，并且它们在安全关键型应用中的实用性也受到了其他领域的关注。

Siemens EDA汽车测试解决方案经理 Lee Harrison 表示：“特别是 SiC 提供了更高速的开关，这使得电池管理成为其杀手级应用。” “阻断高压的能力使其非常适合电动汽车中的电压调节器。”

研究人员花费了数十年时间研究 SiC 和 GaN 并实现工业化，STMicroelectronics 和英飞凌等芯片制造商提高了产量并降低了缺陷率，这些技术现在可以用于商业化。

意法半导体功率晶体管部门营销人员 Gianfranco Di Marco 指出：“这些宽带隙半导体最近越来越受到关注，因为作为一个行业，我们在工业化和制造方面做得更好。”这些宽带隙化合物半导体材料的特性。“产品在一系列重要应用中的成功采用已经得到认可，例如牵引逆变器、OBC（车载充电器）、DC-DC、电动汽车充电站以及 SiC 充电基础设施，以及用于 GaN 的消费电子产品中的电源转换器。由于 SiC 和 GaN 在多种应用中都比传统硅提供了功率效率优势，因此它们正在吸引更多的关注。”

GaN 在支持射频的商业系统（例如 5G）和用于高级驾驶辅助系统 (ADAS) 的雷达中也越来越受欢迎。Cadence高级产品营销经理 David Vye 表示：“根据这些高频系统所需的功率要求，GaN 因其性能（包括功率、线性度和功率附加效率）而成为主导半导体。” “目前，GaN MMIC 和分立器件广泛用于射频功率放大器和低噪声放大器。”

与此同时，SiC MOSFET 可用于充电站，充电站将成为 BEV 和插电式混合动力车全球基础设施的支柱。“碳化硅在汽车应用中的部署也有助于解决工业领域的其他应用领域，同时帮助设计人员构思未来几代用于空间和航空电子应用的 SiC 和 GaN 产品，”Di Marco 说。“SiC MOSFET 和 GaN HEMT 在很大程度上是互补的，因为它们各自针对不同的应用。电动汽车现在受益于两者的大规模采用，碳化硅 MOSFET 及其在 650V 至 1,700V 电压下工作的能力非常适合牵引逆变器、DC-DC 转换器和车载充电器。”

另一方面，GaN 在 900V 至 100V 的电压下工作。最终，随着它的成熟和成本效益的提高，GaN 也可能成为后两种应用的一种有价值的技术，因为它具有更高的频率能力。

SiC 和 GaN 技术优势

作为宽带隙技术，SiC 和 GaN 都可以在更高的电压下工作，而不会牺牲性能。

“它们可以更安全地处理更高的温度，并且可以在更高的频率下工作，”Vye 说。“它们的物理和电气特性使其能够达到无与伦比的小型化、可靠性和功率密度水平。这些都是要求苛刻的应用（例如电动汽车、逆变器和充电器、数据中心转换器和工业驱动器等）所必需的功能。这两种材料还有助于解决备受争议的环境问题，这些问题在推动政府制定未来能源政策方面受到关注。”

Vye 指出，GaN 和 SiC 还可以承受比硅和 III-V 器件更高的电场，这意味着它们可以处理比竞争技术更高的功率密度和工作温度。“此外，GaN 具有许多技术优势，例如更高的输出阻抗。这使得功率放大器和功率组合的阻抗匹配更容易，从而在许多射频功率应用中实现更广泛的频率覆盖和更大的适应性。”

因此，基于 GaN 微波单片 IC (MMIC) 的功率放大器已被开发用于各种系统，例如基础设施设备、导弹防御和雷达。

同时，宽带隙器件通常具有 10 倍的击穿场强和 3 倍的带隙，使它们能够在比常规硅技术更高的温度下工作，这使得它们非常适合电源调节和管理，Harrison 说。

SiC 和 GaN 的设计和制造挑战
尽管有这些好处，但技术障碍仍然存在——新技术通常就是这种情况。

“ST 着眼于技术，愿意投资克服这些我们认为潜力巨大的技术障碍，”Di Marco 说。“对于 SiC 而言，虽然在我们 25 年的旅程中遇到了太多的挑战。一是碳化硅在专用设备中需要更高的加工温度，我们必须开发能够在这些温度下制造的工艺。”

对于 GaN，最大的问题与技术的成熟度和充分了解故障机制有关，以便有效筛选以隔离有缺陷的器件。“我们非常关注 GaN 的工业化过程和有效的筛选方法，以确保最高水平的可靠性，”DiMarco 说。“结合分立产品 STPOWER GaN，我们还为在电路中采用 GaN 的工程师确定了更大的设计挑战。这些挑战促使我们开发我们的 MASTERGAN 和 STi2GAN 产品，我们将驱动器、GaN 功率器件和（可选）BIPOLAR/CMOS/DMOS 逻辑控制组合在单个芯片或封装中。

热问题
因为它们是高功率器件，GaN 和 SiC 器件都会消耗大量的热能，这会提高它们的工作温度。

“较高的工作温度会影响射频性能并威胁放大器的可靠性，因为半导体器件的平均无故障时间 (MTTF) 与通道温度直接相关，”Vye 说。“RF 设计人员越来越需要了解可能的工作温度，以便做出关键的设计决策并确保适当的散热策略。传统上，热分析可能是由机械工程师使用射频设计师提供的数据进行的，或者设备已经制造出来，并在实验室使用红外 (IR) 传感器等设备测量其工作温度。”

可以使用新的热分析工具，其中一些直接在射频电路设计环境中使用。例如，Cadence 流程使用定义 MMIC 结构的几何和材料数据以及来自非线性电路仿真的功率耗散数据，使用有限元分析 (FEA) 求解器计算产生的热耗散。这允许射频设计人员在优化射频性能的同时解决热设计问题。

宽带隙器件的设计注意事项
不过，从设计角度来看，需要认识到 SiC 和 GaN 器件具有与硅制成的器件不同的特性。

“控制这些器件（即栅极驱动）的方式是不同的，”英飞凌科技公司开关电源和电池应用系统应用工程总监 George Liang 说。“当您尝试为特定应用实施解决方案时，您需要查看设备在过渡期间的工作方式。宽带隙器件与传统硅技术之间的显着差异在于开关损耗完全不同。切换可能有点不同。为了最大限度地发挥使用宽带隙设备的优势，您确实需要学习如何控制该设备上的开关。”

成本也需要考虑在内。“如果你看看今天设计和制造宽带隙器件的成本，它们仍然比硅 MOSFET 高得多，”梁说。“它正在逐渐降低，但这需要时间。如果你有一个设计，你认为你需要立即做，并且认为产品窗口不会持续很长时间，那么工程团队需要考虑产品何时发布。但是，从长远来看，他们需要考虑哪些行业趋势正在推动需求，以确定现在设计它是否有意义，或者等待几年，直到设备技术成熟并可以从多个供应商处获得。”

另一个考虑因素是切换到宽带隙设备是否会有好处。“硅 MOSFET 就足够了吗？这是一个更好的选择，因为给定的应用程序有很多供应商可用？例如，如果尺寸不是首要问题，那么您为什么不考虑使用氮化镓器件呢？您能否在使用更新的交换机基础设施的同时仍获得高效率？如果我需要多个来源，那么硅 MOSFET 是更好的选择，因为它们在市场上更容易买到。所以这取决于具体的应用用例，”梁说。

图 1：汽车 SiC MOSFET。资料来源：英飞凌

然后，从设计工具的角度来看，SiC 和 GaN 器件需要进行大量更新。

“由于硅 MOSFET 技术已经存在了很长时间，因此有更多的仿真模型可用，”他指出。“此外，设计工程师还需要有关如何使用该器件的应用指南来设计它们。大多数致力于新宽带隙器件的公司都使用参考设计和仿真板，因此情况越来越好。建模方面是个问题。还有很长的路要走。人们需要了解宽带隙器件在所有条件下的开关行为。在任何条件下工作的模型中捕捉这一点都需要一些时间，但这会发生。我预计几年后这些材料会更容易使用。”

相比之下，几乎所有这些都是针对标准硅器件反复计算的。“碳化硅器件的控制自然与传统 MOSFET 非常相似，因此如何驱动碳化硅可能非常相似，”梁说。“但你仍然需要控制电压。从用户的角度来看，随着时间的推移，我希望半导体制造商能够提供更好的设计工具、参考设计和旨在解释参考设计的仿真模型。这将逐渐发生。”

测试挑战
另一个问题涉及测试。GaN 和 SiC 的缺陷密度仍然更高，这使得高覆盖率至关重要——尤其是当它们用于汽车或其他安全关键型应用时。

“每个人都熟悉这些设备的硅生命周期图，以确保我们不会看到早期故障，这将导致由于潜在故障而导致客户提前退货，”哈里森说。“这些设备的制造商进行压力测试，以确保设备中的任何潜在故障在最终进入车辆之前都被发现。对于这项技术，压力测试时间可能相当长——比普通硅长很多倍。SiC 和 GaN 技术面临的挑战之一是低温运行，这会影响器件的使用寿命。通过广泛的测试可以消除很多风险。测试的差异更多是由于应用测试程序的条件而不是运行的测试类型。”

结论
SiC 和 GaN 的未来在许多应用领域很有前景，但最值得注意的是在汽车电池管理领域，因为这些材料可以处理高电压。一旦改进了器件表征和建模支持，成本将进一步下降，预计这两种宽带隙材料都将进入更多应用领域。