為何SiC與GaN元件備受市場矚目?

作者 : Davide Di Gesualdo,EE Times Europe特約作者

在不久之前,人們還認為實現碳化矽(SiC)和氮化鎵(GaN)元件的應用相當困難,但在2018年,現實生活中的應用已經開始利用這些技術的優勢。這類新技術成功的原因是什麼?

近年來,學界與業界一直在共同努力尋找最佳化電子裝置能效同時提升其性能的解決方案,除了微控制器已經為數位裝置實現了優異的節能水準,將新材料應用於功率元件也取得了最佳效果──在不久之前,人們還認為實現碳化矽(SiC)和氮化鎵(GaN)元件的應用相當困難,但在2018年,現實生活中的應用已經開始利用這些技術的優勢(例如採用SiC MOSFET之Tesla Model 3電動車的主逆變器)。這類新技術成功的原因是什麼?

SiC和GaN被稱為「寬能隙半導體」(WBG),因為將這些材料的電子從價帶(valence band)擴散到導帶(conduction band)需要能量:其中矽所需能量為1.1eV,SiC則需3.3eV,GaN則需3.4eV, 這就帶來了更高的擊穿電壓,在某些應用中可高到1,200~1,700V。拜生產製程技術之賜,WBG展現出以下優點:

  • 極低的內部電阻,與同類矽元件相較,效率可提高70%。
  • 低電阻可改善熱性能(最高工作溫度提升了)和散熱,並可達到更高的功率密度。
  • 散熱得到最佳化,與同類矽元件相較之下可以採用更簡單的封裝、尺寸和重量也大大減少。
  • 極短的關斷時間(GaN元件接近於零),能夠在非常高的開關頻率下運作,工作溫度也更低。

各類傳統電力電子元件都可以用WBG元件代替,有鑑於傳統矽元件在許多應用領域都達到了極限,WBG技術顯然是未來電力電子的基礎,將催生不同領域的創新應用。

SiC和GaN技術的區別

不同應用所需的功率和頻率性能不同,無論矽元件還是新型WBG元件,每種類型的元件都有其用武之地。不過儘管在概念層面上有相似之處,SiC和GaN元件彼此不可互換,二者因系統的運作需求和使用參數的不同而有很大差別。

特別是SiC元件能承受更高的電壓、達1,200V或以上,GaN元件能承受的電壓和功率密度則稍低一些;另一方面,由於GaN元件的關斷時間幾乎為零(由於具有高電子遷移率,其dV/dt電壓大於100V/s,而MOSFET矽元件僅50V/s),特別適用於非常高頻的應用,可達到極高的能效和性能。但這些理想的特性也會給應用帶來麻煩:如果元件的寄生電容不接近於零,就會產生數十安培的電流尖峰,而在電磁相容測試階段出現問題。

由於可以採用TO-247和 TO-220封裝,SiC在這方面能夠發揮更多優勢,因為這兩種封裝可以讓新的SiC快速取代現有IGBT和MOSFET元件。而採用SMD封裝(更輕、更小但通常是新設計案才會採用)的GaN則能提供更佳性能。

另一方面,這兩種元件面臨的共同挑戰都與閘極驅動器的設計與構造有關。閘極驅動器應當能夠充分利用特定分量(components-specific characteristics)特徵,同時又要關注寄生分量(必須最小化以避免性能降低)和適當的電壓水準(希望類似於驅動傳統矽元件的電壓水準)。

就成本而言,SiC元件現在更便宜也更普及,因為它們是在GaN之前出現的;但是不難想像,成本一方面與生產製程有關,同時也跟市場需求有關,這也是為何市場價格終會趨於平穩。

由於GaN基板的生產成本較高,因此採用GaN「通道」的元件都以矽為基板。最近,瑞典林雪平大學(University of Linköping)與從該校獨立的公司SweGaN合作進行了一些研究,利用矽基板和一種新式長晶製程──名為變形異質磊晶(transmorphic heteroepitaxy),可避免出現結構缺陷──的概念,取得了能與SiC元件媲美的最大電壓,工作頻率則可以達到矽基GaN的水準。這項研究還顯示,採用此機制能夠改善熱管理、達到3kV以上的垂直擊穿電壓,以及比現有解決方案低一個等級的通態阻抗等性能。

潛力應用和市場

WBG元件的應用領域仍屬利基市場,相關技術研發仍然需要更充分瞭解如何最大限度發揮其潛力。該技術最大的市場是二極體,但WBG預計於未來5年內充斥電晶體市場。此外潛在應用已在醞釀中,預期電動車、電信和消費性電子市場將最具潛力。

根據預測,最有利可圖的市場將是與電動車、自動駕駛車輛相關的市場,WBG元件將在其中被應用於逆變器、車載充電設備(onboard charging devices,OBC)和防撞系統(例如LiDAR)。有鑑於這類元件的熱特性和能效,可充分滿足蓄能器性能的最佳化需求,其前景可期。

在電信應用方面,5G將成為WBG的需求主力;待安裝的數百萬個基地台會需要更高的能效,也需要變得更小、更輕,以顯著提高性能並降低成本。消費性電子市場也將大量採用這類新型元件──各種行動裝置的日益普及和快速充電需求,將驅動無線電源和充電裝置對新型元件的需求。

市面上的SiC和GaN元件

英飛凌(Infineon)已經開發了一系列的SiC和GaN MOSFET,即CoolSiC和CoolGaN系列驅動器。值得注意的是,其FF6MR12W2M1_B11半橋式模組能在1,200V電壓下輸出高達200A的電流,而其RDS(on)阻抗僅為6mΩ;該模組配備了兩個SiC MOSFET和一個NTC溫度感測器,適用於不斷電系統(UPS)和馬達控制應用,可以改善能效和散熱(圖1)。

圖1:FF6MR12W2M1_B11半橋式模組。

 

Microsemi的產品線中也有一個類似的解決方案,即Phase Leg系列SiC MOSFET模組;該模組採用了SP6LI系列元件,能夠承受高達1,700V的電壓和大於200A的電流;AlN基板可確保更好的熱管理,兩個SiC蕭特基二極體可以提升開關頻率。

Wolfspeed也在積極經營此一市場,其CAB450M12XM3半橋式元件可以控制高達1,200V的電壓和450A的電流,得益於其第三代MOSFETs和SiN基板的結合,使其能夠在175°C的連續模式下工作。

而當我們細看GaN市場,顯然現有元件產品種類較有限。GanSystem產品目錄中的GS-065-150-1-D是一款採用Island專利技術的電晶體,能夠在超過10MHz的開關頻率下控制高達650V的電壓和150A的電流。

最後,繼宣佈推出預計2020年中上市的TP90H050WS FET後,Transphorm致力於開發採用TO-247封裝的GaN元件,其工作電壓高達900V,上升和下降時間約為10nS (圖2)。

圖2:TP90H050WS FET。

 

還有什麼值得期待?

或許人們還需要等待一段時間才能感受到WBG元件的驚人潛力,但其應用場景正在演變,製造商也開始提供可靠的解決方案。可以確信的是:WBG元件作為一種新型工具解決了功率元件設計師在這個以「節能」為口號的時代所面臨的問題,正能滿足市場所需。

 

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2020年4月號

(參考原文:SiC and GaN: Let’s Take Stock of the Situation,by Davide Di Gesualdo)

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