半導(dǎo)體功率轉(zhuǎn)換拓?fù)浼軜?gòu)和挑戰(zhàn) 寬帶隙半導(dǎo)體的技術(shù)進(jìn)展

降低能量損耗

預(yù)計(jì)到2020年，全球電能需求將達(dá)到30拍瓦（petawatts）峰值［1］，而在那之后還會(huì)進(jìn)一步增加。電能來源可能是化石燃料或可再生能源，但無論如何，功率轉(zhuǎn)換設(shè)備效率對(duì)于最大程度地降低成本和電能損耗至關(guān)重要。

工業(yè)馬達(dá)消耗了全球50％以上能源，但是數(shù)據(jù)中心也非常耗電，而電動(dòng)汽車（EV）充電正在快速增大負(fù)荷。所有這些以及許多其他應(yīng)用都已經(jīng)促使開發(fā)“更智能”且耗電更少的創(chuàng)新技術(shù)，但是相關(guān)電源轉(zhuǎn)換器件也須跟上步伐，其損耗需要越來越低。在本文中，我們將回顧能夠?qū)崿F(xiàn)這一目標(biāo)的寬帶隙半導(dǎo)體技術(shù)。

功率轉(zhuǎn)換拓?fù)浼軜?gòu)和挑戰(zhàn)

功率轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)者的終極目標(biāo)是以最高效率將來自配電系統(tǒng)（公用事業(yè)AC或DC匯流排）電壓轉(zhuǎn)換為不同DC或AC電平。出于安全或功能層面考慮，可能需要電氣隔離，并且輸出電壓可能要求更高或更低，以及是否經(jīng)過調(diào)節(jié)，但是“開關(guān)模式”電源轉(zhuǎn)換技術(shù)現(xiàn)已通用。

最初的雙極開關(guān)技術(shù)已經(jīng)被硅MOSFET所取代，而IGBT仍在主導(dǎo)高電壓/高功率應(yīng)用，但是當(dāng)下SiC和GaN已成為轉(zhuǎn)換器拓?fù)浼軜?gòu)中強(qiáng)有力競(jìng)爭(zhēng)者，通常采用“諧振”型以獲得最佳效率，并使用三相電橋用于馬達(dá)控制。

無論采用何種拓?fù)浼軜?gòu)，由于導(dǎo)通電阻和可能具有高瞬時(shí)值的開關(guān)轉(zhuǎn)換都會(huì)造成損耗累積（圖1）。

圖1：在開關(guān)轉(zhuǎn)換期間，MOSFET峰值功耗可能在kW范圍內(nèi)。

半導(dǎo)體中的開關(guān)損耗與每秒轉(zhuǎn)換次數(shù)成比例，因此低頻率下?lián)p耗更小。但是，較高頻率允許使用體積更小、重量更輕且成本更低的電感器和電容器等被動(dòng)元件，因此在實(shí)際中，開關(guān)頻率選擇是一個(gè)折衷方案，范圍可以從馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器的幾kHz到數(shù)據(jù)中心等尺寸非常關(guān)鍵DC-DC轉(zhuǎn)換的幾個(gè)MHz。

開關(guān)轉(zhuǎn)換期間的大量功耗是由對(duì)器件電容COSS進(jìn)行充電和放電所需能量EOSS引起。因此，EOSS和COSS以及導(dǎo)通電阻RDS（ON）都是關(guān)鍵參數(shù)。導(dǎo)通電阻與管芯面積乘積RDS（ON）?A是總損耗的品質(zhì)因數(shù)（FOM），電容及其相關(guān)開關(guān)損耗隨管芯面積減小而降低。

寬帶隙半導(dǎo)體介紹

SiC和GaN等寬帶隙（WBG）半導(dǎo)體需要相對(duì)較高能量才能將電子從其“價(jià)帶”移動(dòng)到“導(dǎo)帶”。高帶隙值會(huì)導(dǎo)致更高臨界擊穿電壓和更低漏電流，尤其是在高溫下。WBG器件還具有更好電子飽和速度，從而導(dǎo)致更快開關(guān)，而SiC具有特別好導(dǎo)熱性。在圖2中將寬帶隙特性與硅器件進(jìn)行了比較，在所有情況下，值都是越高越好。

圖2：寬帶隙材料特性與硅比較。

對(duì)于給定厚度，寬帶隙材料臨界擊穿電壓值比Si高10倍左右，因此SiC漂移層可以薄10倍，摻雜濃度可以是10倍。寬帶隙材料與Si比較，具有比Si低很多的導(dǎo)通電阻，并且相應(yīng)降低了相同管芯面積的損耗。由于SiC具有高導(dǎo)熱性，所以管芯可以非常小，因而具備出眾RDS（ON）?A（FOM）。圖3是在650V下SiC MOSFET、GaN HEMT單元、Si MOSFET和IGBT的RDS（ON）?A比較。

圖3：在同樣電壓下寬帶隙和硅技術(shù)之間RDS（ON）?A（FOM）比較。

SiC和GaN大大降低了對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)功率要求。Si MOSFET和IGBT特別需要大量柵極電荷才能有效開關(guān)。對(duì)于較大IGBT，這可能需要數(shù)瓦驅(qū)動(dòng)功率，從而導(dǎo)致系統(tǒng)損耗。對(duì)于WBG器件，即便在高頻下，損耗僅是毫瓦級(jí)。

WBG器件還有其它優(yōu)勢(shì)：比較硅器件，可以在更高溫度下工作，最高可超過500℃。盡管封裝限制了實(shí)際操作值，但高峰值容量顯示了可用余量。與硅器件比較，WBG柵極泄漏和導(dǎo)通電阻隨溫度的變化也要小很多。

寬帶隙技術(shù)進(jìn)展

WBG器件成本一直高于硅，但卻在逐步降低，而連鎖式系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在很大程度上抵消了這一點(diǎn)。例如，隨著效率提高，其他部件（例如散熱器）以及濾波器中電感器和電容器尺寸、重量和成本也相應(yīng)減小。更快開關(guān)速度，對(duì)負(fù)載變化的更快響應(yīng)和更平滑馬達(dá)控制也使系統(tǒng)功能和性能受益。

總體而言，利用WBG器件帶來的優(yōu)勢(shì)可以將它們用于電源轉(zhuǎn)換的任何新應(yīng)用，設(shè)備制造商也在不斷完善技術(shù)，從而使器件易于使用且堅(jiān)固耐用，尤其是在諸如短路和過電壓等故障條件下。例如，英飛凌（Infineon）公司選擇了一種溝槽架構(gòu)（見圖4左），可在低柵極電場(chǎng)強(qiáng)度下實(shí)現(xiàn)低溝道電阻，從而提高了柵極氧化物界面可靠性。英飛凌公司的增強(qiáng)型GaN高電子移動(dòng)率電晶體（HEMT）器件采用平面架構(gòu)（見圖4右），并且與SiC MOSFET不同，它們沒有體二極管（（body diodes）），使其特別適合于“硬開關(guān)”應(yīng)用。 GaN器件額定電壓為600V，而SiC額定電壓則為1200V或更高，但在特定電壓額定值下，GaN RDS（ON）理論極限約比SiC好10倍。

圖4：SiC和GaN器件典型架構(gòu)。

意法半導(dǎo)體（STMicroelectronics）介紹其1200V SiC MOSFET具有業(yè)界最高額定溫度200℃，并且在整個(gè)溫度范圍內(nèi)具有同類領(lǐng)先的極低導(dǎo)通電阻。非?？焖偾覉?jiān)固的體二極管不再需要外部二極管，從而節(jié)省了馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器等應(yīng)用中的換向電路空間和成本。

羅姆（ROHM）公司在SiC MOSFET市場(chǎng)中也有產(chǎn)品供貨，其最新器件具備高成本效益和突破性能。羅姆據(jù)稱開發(fā)了業(yè)界首款具有共封裝（co-packaged）的反平行SiC肖特基屏障（Schottky barrier）二極管的SiC MOSFET，可滿足要求苛刻的換向開關(guān)應(yīng)用，其中并聯(lián)二極管較低正向壓降（1.3V）導(dǎo)致?lián)p耗低在4.6時(shí)體二極管。

寬帶隙市場(chǎng)的另一家公司GaN Systems則專注于其獲得專利的封裝技術(shù)，從而最大限度地利用GaN速度和低導(dǎo)通電阻。其“島嶼技術(shù)（Island Technology）”將HEMT單元矩陣與橫向布置金屬條垂直連接，以降低電感、電阻、尺寸和成本。此外，該公司GaNPX封裝技術(shù)無需引線鍵合，可提供最佳的熱性能，高電流密度和低外形。

GaN市場(chǎng)另一先驅(qū)松下（Panasonic）推出了具有專利技術(shù)的X-GaNTM器件，以實(shí)現(xiàn)“常關(guān)”操作而不會(huì)出現(xiàn)GaN中的“電流崩塌”現(xiàn)象，這種效應(yīng)源于漏極和源極之間捕獲電子在施加高壓期間可以瞬時(shí)增加導(dǎo)通電阻，可能導(dǎo)致設(shè)備故障（圖5）。Panasonic的柵極注入電晶體（GIT）技術(shù)產(chǎn)生了真正的“常關(guān)” GaN器件，可采用與Si MOSFET電平兼容的柵極電壓來驅(qū)動(dòng)。

圖5：Panasonic GaN單元沒有“電流崩塌”出現(xiàn)。

結(jié)論

寬帶隙器件在功能層面勝過硅，但目前的應(yīng)用障礙主要是成本、易用性和可靠性。寬帶隙器件制造商已經(jīng)解決了這些問題，大規(guī)模生產(chǎn)已成為現(xiàn)實(shí)，并且在所有市場(chǎng)領(lǐng)域中都展示了非常有前途的應(yīng)用。采用SiC和GaN技術(shù)實(shí)現(xiàn)的寬帶隙器件可從mouser.com獲得。

編輯：hfy