GaN 和 SiC 器件相似和差異

幾十年來，硅一直主導著晶體管世界，但這種情況正在逐漸發(fā)生變化。已經(jīng)開發(fā)出由兩種或三種材料制成的化合物半導體，并具有獨特的優(yōu)勢和卓越的特性。例如，化合物半導體為我們提供了 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。

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

作為解決方案出現(xiàn)的兩種化合物半導體器件是氮化鎵和碳化硅功率晶體管。這些器件與壽命長的硅功率 LDMOS MOSFET 和超級結 MOSFET 競爭。GaN 和 SiC 器件在某些方面相似，但有顯著差異。本文將兩者進行比較并提供信息以幫助您為下一個設計做出決定。

圖 1：流行的高壓、大電流晶體管和其他設備以及主要應用的功率能力與開關頻率的關系

寬帶隙半導體

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

WBG 化合物半導體具有高電子遷移率和更高的帶隙能量，轉化為優(yōu)于硅的特性。由 WBG 化合物半導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。對于高壓和高功率應用，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 晶體管轉換為常態(tài)“關斷”器件，實現(xiàn)高功率開關電路中標準的增強型操作模式。

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

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

• 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
• 更低的傳導電阻，最小的功耗和更高的效率

GaN 晶體管在射頻 (RF) 功率領域找到了早期的利基。材料的性質導致了耗盡型（d 型）場效應晶體管（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“導通”器件；沒有柵極控制輸入，存在自然傳導通道。柵極輸入信號控制通道導通并打開和關閉器件。

由于通?！瓣P閉”的增強模式（e 模式）器件在開關應用中是首選，這導致了 e 模式 GaN 器件的開發(fā)。第一個是兩個 FET 器件的級聯(lián)（圖 2）；現(xiàn)在，可以使用標準的 e-mode GaN 器件。它們可以在高達 10 MHz 和高達數(shù)十千瓦的頻率下進行切換。

GaN 器件廣泛用于無線設備，作為頻率高達 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、衛(wèi)星發(fā)射機和通用射頻放大。然而，由于它們的高電壓（高達 1,000 V）、耐高溫和快速開關，它們也被納入各種開關模式電源應用，如 DC/DC 轉換器、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。這些器件可以在遠高于硅 MOSFET 的電壓和電流水平下以高達 1 MHz 的頻率進行開關。最大漏源電壓高達約 1,800 V，電流能力可達 100 A。此外，SiC 器件的導通電阻遠低于硅 MOSFET，使其在所有開關電源應用中的效率更高。一個主要缺點是它們需要比其他 MOSFET 更高的柵極驅動電壓，盡管隨著設計的改進，這種情況正在發(fā)生變化。

SiC 器件需要 18 到 20 V 的柵極驅動電壓來開啟具有低導通電阻的器件。標準 Si MOSFET 需要小于 10 V 的柵極才能完全導通。此外，SiC 器件需要 –3- 至 –5-V 柵極驅動器以切換到“關閉”狀態(tài)。然而，已經(jīng)開發(fā)了特殊的柵極驅動 IC 來滿足這種需求。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晶體管競賽

GaN 和 SiC 器件都與其他成熟的半導體競爭，特別是 Si LDMOS MOSFET、超級結 MOSFET 和 IGBT。在許多應用中，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，相對于 20 kHz）進行開關，從而在提高效率的同時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 GaN 與 SiC 的比較，以下是亮點：

• GaN 的開關速度比 Si 快。
• SiC 的工作電壓高于 GaN。
• SiC 需要高柵極驅動電壓。

超級結 MOSFET 正逐漸被 GaN 和 SiC 所取代。SiC 似乎是車載充電器 (OBC) 的最愛。隨著工程師發(fā)現(xiàn)更新的設備并獲得使用經(jīng)驗，這一趨勢無疑將繼續(xù)下去。

汽車應用

許多電源電路和設備可以通過使用 GaN 和 SiC 進行設計來改進。最大的受益者之一是汽車電氣系統(tǒng)?，F(xiàn)代 HEV 和 EV 包含可以使用這些設備的設備。一些流行的應用是 DC/DC 轉換器、OBC、電機驅動器和 LiDAR。圖 3指出了電動汽車中需要大功率開關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)過整流、功率因數(shù)校正，然后進行 DC/DC 轉換（一個輸出用于為高壓電池充電，另一個用于為低壓電池充電）。

DC/DC轉換器

這些電源電路將高電池電壓轉換為較低電壓以操作其他電氣設備。電池電壓現(xiàn)在最高可達 600 或 900 V。DC/DC 轉換器將其降至 48 或 12 V 或兩者，以便其他電子組件運行（圖 3）。在 HEV 和 EV 中，DC/DC 轉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 包含一個連接到交流電源的內部電池充電器。這允許在沒有外部 AC-DC 充電器的情況下在家充電（圖 4）。

牽引電機驅動器

牽引電機是驅動車輪的高輸出交流電機。驅動器是一個逆變器，可將電池電壓轉換為驅動電機的三相交流電。

激光雷達

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

圖 4：典型的 DC/DC 轉換器用于將高電池電壓轉換為 12 和/或 48 V。高壓橋中使用的 IGBT 正逐漸被 SiC MOSFET 取代。

由于其高電壓、高電流和快速開關，GaN 和 SiC 晶體管都為汽車電氣設計師提供了寬容和更簡單的設計以及卓越的性能。