尽管氮化镓和碳化硅经常被一起提到，但这两种半导体的性能特征不仅与硅不同，而且彼此不同
作者：Mouser Electronics Brian Santo
随着硅功率IC（Si）技术开始受到限制，工程师们正在寻找替代品，以帮助他们制造更小、更轻、更高效的产品。宽带隙（WBG）材料，如氮化镓（GaN）碳化硅（SiC），都是可行的选择，但并不总是清楚这三种技术中哪种最适合任何特定的应用。
近年来，随着硅功率IC表现出性能限制，特别是在更高的电压下，这项技术在减少体积、重量和功率损耗方面已经无能为力了，GaN和SiC都受到了越来越多的关注和采用。基于GaN的功率IC看起来是不可避免的下一步，因为它在MHz范围内工作（Si技术已在200kHz左右达到最大值），而SiC相对于Si的主要优势是其更好的热导率。
Si、GaN和SiC都有其优点和缺点，因此，在没有明确赢家的情况下，当三者之间存在重叠区域时，工程师如何选择哪种功率技术，尤其是当这三者都得到改进时，该区域可能会发生变化时？
在Si、GaN和SiC之间的选择最终是由应用驱动的，但工程师必须权衡利弊，才能评估哪一个是最佳选择。


图1：比较硅（Si）、碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、硅超结（Si-SJ）和绝缘栅双极晶体管（IGBT）/栅极关断（GTO）晶闸管器件的功率和频率。（来源：作者）
 
GaN和SiC准备从Si中断的地方走下去
硅功率器件有着悠久的历史，可以追溯到20世纪50年代，当时它们取代了真空管。到20世纪70年代，由于数字电路的金属氧化物半导体（MOS）技术的发展，一类新的功率器件出现了，这使得金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）能够在工作电压低于100V的高频应用中广泛使用。
到20世纪80年代，绝缘栅双极晶体管（IGBT）出现了。其吸引人的主要特性包括简单的接口、高功率密度和坚固性，使其成为中高功率应用的首选功率技术。
但是硅IGBT和功率硅器件正在达到硅固有的极限，尤其是在高温工作时——它们在150°C以上的温度下不可用。在较高温度下使用硅功率器件会由于关断时漏电流的增加而导致功率损耗。这会显著降低可靠性。
GaN和SiC作为宽带隙（WBG）材料，由于其固有的高电子迁移率和更高的带隙能量而优于硅。基于宽带隙化合物的晶体管还表现出更高的击穿电压和更大的高温耐受性。
宽带隙GaN器件能够在高于200°C的高温下工作，这就是为什么它对功率器件应用很有吸引力，因为它可以在混合动力汽车等环境中简化冷却系统。一般来说，更简单的系统成本更低，因为它们需要的零件和材料更少。从硅IGBT转向GaN的优势之一是，工程师可以利用一些相同的封装技术，而不必对模块进行重大更改。
SiC功率器件与Si器件有一些共同的特性，即它们具有相似的导通和关断电压要求。但与GaN一样，SiC具有在比Si更高的温度下工作的能力，具有更好的热管理，同时还提供高开关频率、更低的开关损耗、更高的效率以及更小的尺寸和重量。
虽然GaN和SiC都是取代Si技术用于功率器件的竞争者，但它们彼此截然不同，而且每种材料都有优势。SiC不仅在比Si更高的电压下工作，而且比GaN更高，GaN目前的目标电压在80V到650V之间，以提供中等功率。
虽然这两种技术的开关损耗都低于硅，并且在最大功率密度下提供了非常高的效率，但GaN和SiC在晶体管水平上有所不同。GaN采用横向晶体管，而SiC使用更坚固的垂直晶体管，因为它还利用了栅极氧化物的可靠性，并提供了极好的易用性。GaN和SiC晶体管都比Si的工作频率更高，开关速度更快，而且它们都更高效，因为它们的导通电阻更低，消耗的功率更少。这使它们在汽车应用中被采用，如混合动力电动汽车（HEV）、EV和EV充电基础设施。
 

图2：截至2022年末，Si、GaN和SiC器件的相对电压能力。（来源：作者）

Si、SiC和GaN都有各自的使用案例
虽然GaN和SiC器件都在与硅IGBT等现有技术竞争，但根据应用情况，这三种器件都是可行的选择。
硅IGBT仍然是各种功率器件的一种选择，例如需要高动态范围控制和低噪声的脉宽调制和伺服三相驱动器。硅IGBT降低了可听噪声水平，同时提高了动态性能和效率。其他常见应用包括不间断电源（UPS）和具有需要高开关重复率的电源电路的任何应用。
硅IGBT由于其低导通电压和提供优异的导通电流密度而在功率MOSFET等前辈的基础上有所改进——可以实现更小的芯片尺寸，并可以降低成本。Si仍然证明了在诸如开关模式电源（SMPS）的设备中提高整体效率的能力。硅IGBT非常适合DC-AC电机驱动应用，因为它们能够处理高电流、开关速度和低成本。
硅IGBT的一些其他特性是其电导损耗、热阻抗和具有低电压降的高电压额定值，这使其适用于大功率电机驱动应用。
当设计需要更小、更轻时，硅开始成为一种不太有利的选择——这就是研究SiC或GaN的意义所在。SiC可以实现更小的电机驱动系统，因为它可以嵌入电机组件中——电机控制器和逆变器可以共享同一外壳。
除了功率密度和效率外，硅还有热失控的趋势——器件的温度可能会不受控制地上升，从而导致失效并最终导致故障。这对于制造或电动汽车等应用来说是一个特别重要的考虑因素，在这些应用中，高电流和高电压条件是常见的。
SiC更耐热失控，因为它具有导热性，这意味着热量更容易消散；结果是工作温度更加稳定。这种导热性减少了对额外冷却系统的需求——因此，整个系统的尺寸可以更小，因此更便宜。它还使SiC更适合环境温度通常更高的环境，例如在工业和汽车使用情况下。
SiC IC的较高开关频率使其优于Si IGBT，适用于需要精确电机控制的应用，例如使用伺服电机进行精确焊接、工具臂控制和物体放置的自动化制造系统。
SiC的开关速度比Si快，而GaN的开关速度则比SiC快；并且尽管SiC在比GaN更高的电压下工作，但是它也需要高的栅极驱动电压。GaN还是SiC是硅的最佳替代品在很大程度上取决于应用。GaN提供了卓越的功率密度，特别是在空间有限的情况下，例如需要开关模式电源的数据中心，这些电源也受益于GaN的高开关频率和效率，而SiC或Si IGBT都无法与之匹配。SiC能够更好地处理高温和高压应用，包括功率串逆变器。
将硅IGBT留在游戏中的考虑因素是其仍然比SiC便宜，这意味着如果其局限性不是一个因素的话，它是成本敏感应用的更好选择。然而，尽管SiC更贵，但由于较低的冷却器要求和较少的组件，整个系统总体上可能更便宜——设计和成本研究分析将揭示是否最好从Si转移。
 
Si、SiC和GaN都有自己的要求
无论您最终选择Si、SiC还是GaN作为电源应用，每种都有其考虑因素。

硅IGBT的主要注意事项：

• 硅IGBT在设计上不包含续流或体二极管，但它是一个重要部件，因为它通过提供续流路径来防止反向电流，从而保护开关
• 在选择合适的二极管或选择具有集成二极管管芯的组件时应小心
• 辅助发射极通常用于提高IGBT的开关性能，因为它减少了栅极电路中杂散电感的影响
• 设计通常需要多个开关；在变频器中通常需要两个
• 从电网获得的供电电压必须进行整流，同时DC电压水平也需要调整或稳定
• 逆变器通常用于将DC链路电压转换成期望的AC系统
• 如果应用不需要再生操作，可以使用简单的二极管整流器

SiC的主要注意事项：

• SiC的电压漏极-源极（VDS）特性是线性的，因此在低于全额定电流的任何点处都具有较低的传导损耗；对于应用来说，这一点很重要，要记住驱动循环大多低于全额定功率，例如EV传动系统
• SiC MOSFET的VDS击穿电压通常比Si IGBT的1.2kV高几百伏
• 反向恢复（Qrr）是对称设计的关键考虑因素
• Kelvin源极引脚对于保持SiC器件的高开关频率优势至关重要，因为它减轻了MOSFET内部键合线引起的电感
• 负栅极驱动器是确保硬关断所必需的
• 与硅器件一样，可以通过使用高频材料和用于EMI抑制的电容器来衰减高频EMI

GaN的主要考虑因素：

• 根据其内部结构，GaN开关器件可以采用增强模式（e-GaN）和耗尽模式（d-GaN）
• e-GaN开关的工作方式与普通MOSFET类似，具有更简单的架构和封装，无需体二极管
• d-GaN开关通常是“导通”性质的，需要负电源
• 设计者必须注意与封装相关的寄生元件，如共源电感和热管理，因为它们可能会限制器件性能
• GaN器件在反向方向上导电，即使没有反向体二极管，因为其本质上是双向器件，并且一旦其两端的反向电压超过栅极阈值电压就会开始导电
• GaN器件在设计上不具有雪崩能力，因此具有足够的额定电压至关重要，对于降压、升压和桥式拓扑，在高达480V的总线电压下，额定电压为600V通常是足够的

随着硅在某些功率应用中不断达到极限，特别是在需要密度和快速开关的应用中，GaN和SiC将成为首选。只要这三者之间存在重叠，工程师就需要在考虑整体系统成本的同时，平衡每种功率器件应用的优势和劣势。

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