宽禁带半导体:未来系统供电的新选择

日期:2020-10-22

 
作者:Paul Lee,贸泽电子专稿
 
长摘要:宽禁带半导体是一种显著提高电源转换效率、节省成本并有助于在工业、IT和消费类应用中节省能源的关键技术。
 
短摘要:宽禁带半导体有望为电源转换器设计带来效率、尺寸和价值上的显著改进。
 
关键词:宽禁带、WBG、SiC、GaN、效率、碳化硅、氮化镓、MOSFET、HEMT
 

(来源:LeoWolfert/Shutterstock.com)
 
全球电能需求在2020年预计将达到30拍瓦的新高,[1]此后还将进一步增加。电能的来源可能是化石燃料,也可能是可再生能源,但无论如何,电源转换设备的效率对于最大程度降低成本和能源的环境流失来说至关重要。
 
工业部门因使用电动机而消耗了一半以上的全球能源,但是数据中心也非常耗电,而电动汽车 (EV) 的充电负荷也日益增加。所有这些应用以及许多其他应用中都出现了以更低的能耗提升智能化水平的创新,但是相关的电源转换设备也必须跟上步伐,并不断降低损耗。我们将在本文中综述实现这一目标的宽禁带半导体技术。

电源转换拓扑和挑战

电源转换器设计人员的目标是以最大的效率将配电系统(公用事业交流或直流总线)的电压转换为不同的直流或交流电压。出于安全或功能的原因,可能需要电气隔离,输出电压可能更高或更低,可能经过或不经过调节,但是“开关模式”电源转换现在是一项很普遍的技术。
 
最初的双极开关技术已让位给硅MOSFET,而绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 仍然主导着高电压/电能,但是现在碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN) 成为现代变换器拓扑中新出现的竞争者,通常采用“谐振”类型设计以获得最佳效率,带有用于电机控制的三相电桥。
 
无论采用哪种拓扑结构,导通电阻和可能具有很高瞬时峰值功率值的开关转换都会造成损耗累积。
 
半导体中的开关损耗与每秒的跃迁成正比,因此频率越低越好。然而,高频设计允许使用更小、更轻并且成本更低的无源元件(例如电感器和电容器),因此在实践中,开关频率的选择是一个折衷方案,例如在数据中心,开关频率的选择从电机驱动的几kHz到尺寸关键型DC-DC转换的几MHz不等。
 
开关转换期间的大量耗散功率由对器件电容COSS)进行充放电所需的能量EOSS造成。因此,EOSS和COSS与导通电阻RDS(ON)一样是关键参数。导通电阻与管芯面积的乘积(即RDS(ON) ∙ A)是总损耗的品质因子 (FOM),因为电容及其相关的开关损耗会随管芯面积的减小而减少。

介绍宽禁带半导体

宽禁带 (WBG) 半导体SiC和GaN需要相对较高的能量才能将电子从其价带移动到导带。高禁带值产生了更高的临界击穿电压和更低的泄漏电流,在高温下尤其如此。WBG器件还具有更好的电子饱和速度,因而能加快开关速度;而SiC具有特别好的导热性。
 
对于给定的厚度,电压击穿特性比Si好出了约10倍,例如,使用SiC材料的器件可以具有10倍薄的漂移层和10倍的掺杂浓度。产生的导通电阻比Si低得多,并且与Si相比,在相同的芯片面积上直接产生的功耗更低。凭借SiC的高导热性,管芯可以非常小,具有出色的RDS(ON)和FOM。
 
与Si MOSFET相比,SiC和GaN的栅极驱动功率要求低得多。尤其是IGBT需要大量的栅极电荷来进行有效的开关,对于一些较大的IGBT而言,转化为驱动功率的瓦数,进一步加剧了系统损耗。对于WBG设备来说,即使在很高的频率下,损耗也只是毫瓦级。
 
WBG器件的优点还包括:与Si相比可以在更高的温度下工作,峰值温度超过500°C。尽管封装限制了实际操作值,但高峰值容量显示了可用的余量。与Si器件相比,栅极泄漏和导通电阻随温度的变化也要低得多。

WBG的发展

WBG器件的成本一直高于Si,但也所有下降,而连锁系统的优点在很大程度上抵消了这一点。例如,随着效率的提高,可以预期其他组件(例如散热器)以及滤波器中电感器和电容器的尺寸、重量和成本会相应降低。此外,更快的开关速度、更快的负载变化响应和更流畅的电机控制都可以帮助提升系统性能。
 
总体而言,设备制造商不断完善技术,使部件易于使用并坚固耐用(特别是在诸如短路和过电压等故障条件下),因此使用WBG设备的价值意味着可以将它们考虑用于新的电源转换应用。例如,英飞凌选择了一种沟槽结构,可在低栅极电场强度下实现低通道电阻,从而提高了栅极氧化物界面的可靠性。英飞凌的增强型GaN HEMT器件采用平面结构,与SiC MOSFET不同,它们没有固有的体二极管,因此特别适合“硬开关”应用。GaN器件的额定电压为600V,相比之下SiC为1200V或更高,但在特定额定电压下GaN RDS(ON)的理论极限约为SiC的10倍。
 
STMicroelectronics宣称其1200V SiC MOSFET具有业内超高的额定温度,达到了200°C,在这个温度范围内具有出色的极低导通电阻。非常快速和强大的体二极管避免了对外部二极管的依赖,从而节省换相电路(如电动驱动器中的电路)的空间和成本。
 
ROHM还提供了面向SiC MOSFET的产品,其新器件具有高性价比和突破性的性能。ROHM宣传推出业内第一款共同封装了反并联SiC肖特基势垒二极管的SiC MOSFET,可用于要求苛刻的换相开关应用。在这些应用中,并联二极管的低正向压降 (1.3V) 可以产生低于体二极管4.6V的损耗。
 
GaN Systems是WBG领域的另一家公司,专注于专利的封装技术,充分利用GaN的速度和低导通电阻特点。其专有的“Island Technology(岛技术)”将HEMT单元的矩阵与横向排列的金属条连接起来,以减少电感、热阻、尺寸和成本。此外,其无引线键合的GaNPX封装技术可提供最佳的热性能、高电流密度和低厚度。
 
GaN市场的另一先驱Panasonic推出了采用专利技术的X-GaNTM器件,以实现“常断”操作而没有“电流崩塌”。“电流崩塌”是一种GaN效应,指的是漏极之间的俘获电子在施加高压时会瞬时增加导通电阻,从而可能导致器件故障。Panasonic的栅极注入晶体管 (GIT) 技术实现了真正的“常断” GaN器件,可使用与Si MOSFET电平兼容的栅极电压来驱动。

结论

WBG在功能方面胜过了硅,而采用方面的障碍仅仅是成本、易用性和经过证明的可靠性。WBG器件制造商已经解决了这些顾虑,实现了大规模生产,并积极运用于所有市场领域。
 
[1] IEA, “Electricity demand by sector and scenario, 2018–2040,” IEA, Paris https://www.iea.org/data-and-statistics/charts/electricity-demand-by-sector-and-scenario-2018-2040
 
www.mouser.com
 

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