“四兩撥千斤”，寬禁帶技術(shù)如何顛覆性創(chuàng)新

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在半導(dǎo)體行業(yè)，新的材料技術(shù)有“四兩撥千斤”的魔力，輕輕松松帶來(lái)顛覆性變革。具有先天性能優(yōu)勢(shì)的寬禁帶半導(dǎo)體材料脫穎而出。

在整個(gè)能源轉(zhuǎn)換鏈中，寬禁帶半導(dǎo)體的節(jié)能潛力可為實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期的全球節(jié)能目標(biāo)作出貢獻(xiàn)。寬禁帶技術(shù)將推動(dòng)電力電子器件提高效率、提高密度、縮小尺寸、減輕重量、降低總成本，因此將在數(shù)據(jù)中心、智能樓宇、個(gè)人電子設(shè)備等應(yīng)用場(chǎng)景中為能效提升作出貢獻(xiàn)。

寬禁帶材料的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在：

?與傳統(tǒng)的硅基半導(dǎo)體材料相比，寬禁帶產(chǎn)品具有更寬更高的禁帶寬度、電場(chǎng)強(qiáng)度，更高的擊穿電壓。

?寬禁帶材料的電子飽和遷移速率與傳統(tǒng)的硅基半導(dǎo)體材料相比快3倍，所以寬禁帶半導(dǎo)體器件具有更高的開(kāi)關(guān)頻率。像ST的碳化硅，具有百k級(jí)以上的開(kāi)關(guān)頻率，而氮化鎵具有更高的開(kāi)關(guān)頻率，開(kāi)關(guān)頻率達(dá)到1MHz以上。

?更好的熱傳導(dǎo)性使寬禁帶功率器件具有更好的熱性能，可減少系統(tǒng)對(duì)熱冷卻的要求，大大降低散熱設(shè)備的尺寸，以及系統(tǒng)成本。寬禁帶的材料熔點(diǎn)非常高，使功率器件有更高的結(jié)溫。

碳化硅SiC和氮化鎵GaN寬禁帶功率器件的研發(fā)是未來(lái)工業(yè)自動(dòng)化能效和性能提升的關(guān)鍵。意法半導(dǎo)體在這些領(lǐng)域持續(xù)技術(shù)創(chuàng)新，為工業(yè)設(shè)備提供更長(zhǎng)的使用壽命、更高的運(yùn)行效率和更低的能耗，從而推動(dòng)工業(yè)自動(dòng)化向更綠色、更智能的方向發(fā)展。

ST提供采用不同技術(shù)的STPOWER SiC MOSFET產(chǎn)品，電壓范圍從650V到1700V。這些器件可以將能量損失降低50%，提高開(kāi)關(guān)頻率，縮減產(chǎn)品尺寸，降低重量以及整體擁有成本。

ST碳化硅MOSFET的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在：

?在很高結(jié)溫下可以實(shí)現(xiàn)較低的能量損耗和Ron，適用于更高的開(kāi)關(guān)頻率以及更小更輕的電源系統(tǒng)。

?熱性能出色，由于材料熔點(diǎn)非常高，工作溫度可達(dá)200度，降低了系統(tǒng)的冷卻要求，延長(zhǎng)使用壽命。

?易于驅(qū)動(dòng)，完全兼容市場(chǎng)現(xiàn)有的所有標(biāo)準(zhǔn)柵極驅(qū)動(dòng)器。

?非?？焖俸蛨?jiān)固的本征體二極管，有利于實(shí)現(xiàn)更緊湊的逆變器。

ST目前量產(chǎn)的是第三代SiC MOSFET，以1,200V為例，第一代、第二代、第三代產(chǎn)品的Ron x Area在成倍降低，其優(yōu)勢(shì)主要是：

?更小的Ron x Area上代表整體輸出功率有所提高，電源模塊在相同的尺寸可以實(shí)現(xiàn)更高的功率。

?Ron x QG減小，可以擁有更高的開(kāi)關(guān)頻率，更低的開(kāi)關(guān)損耗。

ST SiC MOSFET產(chǎn)品組合包括650V、700V、1,200V和1,700V系列。第三代產(chǎn)品主要集中在650V、750V和1,200V。1,700V大批量用在太陽(yáng)能輔助電源上。2,000V以上的碳化硅MOSFET也在開(kāi)發(fā)中。

ST第三代 SiC MOSFET產(chǎn)品提供豐富的封裝可選，包括裸片、分立功率封裝（STPAK、H2PAK-7L、HiP247-4L和HU3PAK）和ACEPACK系列的功率模塊。這些封裝為設(shè)計(jì)者提供了創(chuàng)新功能，例如，專門設(shè)計(jì)的冷卻片可簡(jiǎn)化芯片與電動(dòng)汽車應(yīng)用的基板和散熱器的連接，這樣，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)應(yīng)用選擇專用芯片，例如，動(dòng)力電機(jī)逆變器、車載充電機(jī) (OBC)、DC/DC變換器、電子空調(diào)壓縮機(jī)，以及工業(yè)應(yīng)用，例如，太陽(yáng)能逆變器、儲(chǔ)能系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置和電源。

對(duì)比傳統(tǒng)的IGBT模塊，目前碳化硅模塊成本還較高。隨著市場(chǎng)玩家增多，產(chǎn)能逐漸擴(kuò)大，其價(jià)格將會(huì)明顯下降，優(yōu)勢(shì)更加明顯，更高的開(kāi)關(guān)頻率、更低的開(kāi)關(guān)損耗，可減少外圍電路尺寸，并降低系統(tǒng)成本，使碳化硅模塊成為未來(lái)的發(fā)展方向。因此，碳化硅模塊也是ST的主要發(fā)力方向。

GaN被視為是另一種即將迎來(lái)大規(guī)模商用機(jī)遇的第三代半導(dǎo)體器件。GaN主要應(yīng)用在射頻和功率器件兩個(gè)方面，而ST采取的策略是雙管齊下，同時(shí)布局功率轉(zhuǎn)換GaN和射頻功率GaN技術(shù)。它能與SiC技術(shù)互補(bǔ)，滿足客戶對(duì)功率器件的需求。

ST的GaN產(chǎn)品主要應(yīng)用在更高效、更高功率密度下的開(kāi)關(guān)電源上，細(xì)分市場(chǎng)包括服務(wù)器和通信電源、OBC和機(jī)電一體化平臺(tái)，以及能源生成、充電站和電力轉(zhuǎn)換。

2021年12月，意法半導(dǎo)體STPOWER產(chǎn)品組合推出了一個(gè)新系列——PowerGaN，并于近期宣布量產(chǎn)。ST POWER GaN晶體管提高了墻插電源適配器、充電器、照明系統(tǒng)、工業(yè)電源、可再生能源發(fā)電、汽車電氣化等應(yīng)用的性能。

GaN產(chǎn)品主要封裝形式包括PowerFLAT 5x6 HV，DirectGaN DSC PEP，PowerFLAT 8x8 DSC，LFPAK 12x12 TSC/BSC。

PowerFLAT 5x6 HV已有相應(yīng)產(chǎn)品量產(chǎn)，并得到認(rèn)證。

DirectGaN DSC PEP是雙面散熱，應(yīng)用具有開(kāi)爾文源極，外形靈活。

PowerFLAT 8x8 DSC也是雙面散熱，封裝外形較小。也具有開(kāi)爾文源極，采用銅夾技術(shù)，具有更小的寄生參數(shù)。

LFPAK 12x12 TSC/BSC也采用銅夾技術(shù)，具有開(kāi)爾文源，可靠性更高，寄生參數(shù)更小，熱阻更低，該封裝以及相應(yīng)產(chǎn)品完全通過(guò)了所有認(rèn)證，符合AEC-Q101這樣的汽車等級(jí)要求。

ST最近發(fā)布了PowerFLAT5×6封裝形式的產(chǎn)品，后續(xù)還將推出PowerFLAT 8×8和LFPAK 12×12等封裝形式，以及DirectGAN DSC。

未來(lái)，GaN還有望實(shí)現(xiàn)新的功率轉(zhuǎn)換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提高能效，并降低功耗。意法半導(dǎo)體的GaN器件將加速功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)向GaN寬帶隙技術(shù)過(guò)渡。

END

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