什么是SiC和GaN?它有什么作用?SiC和GaN被稱為“寬禁帶半導體”(WBG),，因為將這些材料的電子從價帶擴散到導帶所需的能量為：在硅中,，該能量為1.1eV， SiC(碳化硅)為3.3eV,，GaN(氮化鎵)為3.4eV,。這導致較高的適用擊穿電壓，在某些應用中可以達到1200至1700V,。由于使用了生產工藝,，WBG設備顯示出以下優(yōu)勢：

極低的內部電阻，與硅等效器件相比,，效率最高可提高70%,。低電阻可改善熱性能(隨著最高工作溫度的增加)和散熱，以及可實現(xiàn)的功率密度的優(yōu)化散熱允許使用更簡單的封裝,，與硅等效器件相比,，尺寸大大減小，重量更輕;非常短的關斷時間(對于GaN而言接近零)允許使用非常高的開關頻率,，同時達到較低的溫度,。

WBG設備可以制造經典電力電子設備中使用的所有類型的設備。此外,，經典的Si器件已在許多應用領域中達到其極限,。在這些前提下，很明顯,，WBG技術對于電力電子的未來至關重要,，并且為各種應用領域中的新可能性奠定了基礎,。

SiC和GaN的區(qū)別

根據(jù)應用類型所需的功率和頻率性能，硅和新型WBG兩種類型的設備都有其市場份額,。

盡管在概念上存在相似之處,，但SiC和GaN組件無法相互互換，但會根據(jù)其運行系統(tǒng)內的使用參數(shù)而有所不同,。

特別是,，SiC器件可以承受更高的電壓，最高可達1200V甚至更高,，而GaN器件可以承受更低的電壓和功率密度,。另一方面，由于GaN器件的關斷時間幾乎為零(高電子遷移率,，因此dV / dt大于MOSFET Si的50V / s,，因此dV / dt大于100V / s)，因此這些器件可以用于高頻應用,，具有空前的效率和性能,。這種理想的正特性可能會帶來不便：如果組件的寄生電容不接近零，則可能會產生數(shù)十安培的電流尖峰,，這可能會導致電磁兼容性測試階段出現(xiàn)問題,。

SiC在使用的封裝上具有更多優(yōu)勢，這是因為可以采用TO-247和TO-220,，從而可以用新的SiC快速替換IGBT和MOSFET,，而GaN可以在SMD封裝中提供更好的結果(重量更輕，小但降級到新項目),。

另一方面,，對于兩種類型的器件來說，共同的挑戰(zhàn)與柵極驅動器的設計和構造有關,，該驅動器能夠充分利用特定于組件的特性，同時要注意寄生組件(為了避免性能變差,，必須將寄生組件最小化)和適用電壓水平(希望與用于驅動傳統(tǒng)硅組件的電壓相似),。

就成本而言，SiC器件現(xiàn)在更便宜,，更受歡迎,，這也是因為它們是在GaN之前制造的。但是,，不難想象,，成本僅與生產過程以及市場需求部分相關，這就是為什么市場價格可能趨于平緩的原因,。

由于GaN襯底的生產成本較高,，因此使用GaN“通道”的設備具有Si襯底,。最近幾個月，瑞典林雪平大學與衍生出來的SweGaN合作,，進行了一些研究,，這些研究遵循了使用SiC襯底和新的晶圓生長工藝(稱為變質異質外延，可防止結構缺陷的存在)的想法 ,，從而獲得可與SiC器件相比的最大電壓,，但能夠以GaN的頻率在Si上工作。這項研究還強調了采用這種機制如何能夠改善熱量管理,，3kV以上的垂直擊穿電壓以及與今天的解決方案相比處于ON狀態(tài)的電阻小于一個數(shù)量級,。

應用程序和市場

WBG設備的應用領域仍然是一個小眾市場，研發(fā)人員仍然需要更好地了解如何最大限度地發(fā)揮他們的潛力,。最大的新技術市場是二極管市場,，但WBG預計將在未來5年內淹沒晶體管市場。

目前已經開始假設了可能的應用,，預測顯示,，電力移動、電信和消費市場是最有可能的,。

根據(jù)銷售預測,，利潤最豐厚的市場將是一個涉及電遷移和自動駕駛車輛,世行集團將用于逆變器、車載充電設備(OBC)和防撞系統(tǒng)(激光雷達),，這是顯而易見的,，給定的熱特性和效率與請求相匹配的新設備，優(yōu)化蓄電池的性能,。

在電信方面,，5G的作用將成為世界銀行集團的驅動力。世界銀行集團要安裝的數(shù)百萬個基站將需要更高的能源效率,，它們的體積也會更小,、更輕，性能會有顯著提升,，成本也會大幅降低,。

消費者市場也將大量使用新設備。無線電源和充電設備將主要受到影響,，因為移動設備的日益普及和快速充電的需求,。

碳化硅和氮化鎵器件

英飛凌已經開發(fā)了一系列的碳化硅和氮化硅MOSFET器件及其驅動程序，CoolSiC和CoolGaN系列,。值得注意的是FF6MR12W2M1_B11網(wǎng)格模塊,它能夠提供200 1200 v, RDS的只有6 mΩ阻力,。該模塊配備了兩個SiC mosfet和一個NTC溫度傳感器，適用于UPS和電機控制應用,，考慮到效率和散熱(圖1),。

在Microsemi catalog(現(xiàn)在的微芯片技術)中也有類似的解決方案,，使用SP6LI器件族的Phase Leg SiC MOSFET模塊，允許電壓高達1700V,，電流大于200A;AlN基片保證了更好的熱管理,，兩個SiC肖特基二極管允許增加開關頻率。

Wolfspeed公司生產的CAB450M12XM3半橋式裝置能夠控制高達1200V的電壓和450A的電流,，由于使用了第三代mosfet和SiN襯底,，所以可以在175°C的連續(xù)模式下工作。

當我們看一看GaN世界,，很明顯,，可用的設備種類是有限的。GanSystem在其產品目錄中提供了GS-065-150-1-D,，這是一種利用Island專利技術的晶體管,，能夠在超過10MHz的開關頻率下管理高達650V和150A。最后,，Transphorm的TP90H050WS FET將在2020年中期見光,，它正在使用TO-247封裝的GaN器件上工作，其工作電壓可達900V,，上升和下降時間約為10nS(圖2),。以上就是SiC和GaN的解析，希望能給大家?guī)椭?/p>