近幾年，中國碳化硅（SiC）項(xiàng)目可謂遍地開花，據(jù)中國電子材料行業(yè)協(xié)會(huì)半導(dǎo)體材料分會(huì)統(tǒng)計(jì)，截至今年5月，我國從事SiC襯底研制的企業(yè)已經(jīng)有30家，還不包括中國電科46所、硅酸鹽所、浙江大學(xué)和天津理工大學(xué)等純研究機(jī)構(gòu)。

幾年來，這些單位的規(guī)劃總投資已經(jīng)超過300億元，總產(chǎn)能超過180萬片/年。專家預(yù)計(jì)，2022年，此類產(chǎn)品成本逐步下降之后，國內(nèi)產(chǎn)品有望實(shí)現(xiàn)部分國產(chǎn)替代。

寬禁帶（WBG）半導(dǎo)體包括碳化硅還有氮化鎵（GaN），其啟蒙階段的“頂流”喧囂已漸進(jìn)尾聲，正在進(jìn)入量產(chǎn)啟動(dòng)平臺(tái)。器件有了，怎么用就是下一階段要考慮的主要問題了。

急于求成，事半功倍

毋庸置疑，WBG器件是硅器件的有益補(bǔ)充，市場上已經(jīng)很容易買到。特別是在較高電壓下，工程師們很愿意在他們的產(chǎn)品中使用高性能SiC整流器及MOSFET和GaN器件。不過，WBG技術(shù)主流化的道路比預(yù)期的更艱難。

TSC應(yīng)用工程總監(jiān)Kevin Parmenter回憶道：“差不多10年前，我曾與一家由工藝技術(shù)和半導(dǎo)體物理方面的知名專家組成的創(chuàng)業(yè)公司合作。那時(shí)GaN技術(shù)很新，前景令人驚訝：高速器件意味著工程師可以使用小10倍的磁性元件！他們將能實(shí)現(xiàn)5MHz的開關(guān)頻率，并獲得99.9%的效率！”

他說，投資者急于見到回報(bào)，在其敦促下，這家公司想盡快將器件推向市場。他們認(rèn)為，將明天的技術(shù)融入80年代的封裝，客戶就可以將新器件插入現(xiàn)有設(shè)計(jì)中。這個(gè)想法在理論上是合乎邏輯的，但實(shí)際上它沒有奏效。

為什么會(huì)這樣？因?yàn)槿鄙僖粋€(gè)生態(tài)環(huán)境，也缺乏客戶培訓(xùn)。由于WBG器件開關(guān)邊沿時(shí)間不適合采用高寄生性封裝，因此有必要對(duì)工程師進(jìn)行PCB布局和阻抗匹配方面的培訓(xùn)，還必須考慮和構(gòu)建控制技術(shù)等。

與所有新公司一樣，長期的規(guī)劃需要考驗(yàn)投資者的耐心，WBG技術(shù)更是這樣。

好消息是，使用GaN無橋圖騰柱拓?fù)涞?a target="_blank">Titanium服務(wù)器電源，以及GaN+數(shù)字控制的AC-DC和DC-DC電源轉(zhuǎn)換器都已出現(xiàn)。我們看到，將WBG技術(shù)應(yīng)用到產(chǎn)品中的好處和總體價(jià)值已超過了它所涉及的風(fēng)險(xiǎn)。而且，生態(tài)系統(tǒng)已開始建立起來，隨著時(shí)間的推移，封裝或根本沒有封裝都能夠發(fā)揮GaN的優(yōu)勢。

今天，GaN和SiC器件的生產(chǎn)能力正在迅速擴(kuò)大，測量GaN和SiC電路超快特性的測試設(shè)備也有了很大改進(jìn)，設(shè)計(jì)人員也開始使用數(shù)字混合信號(hào)控制器對(duì)WBG器件進(jìn)行優(yōu)化和編程。總體上看，WBG技術(shù)正在發(fā)展成為具有完整功能模塊的產(chǎn)品，甚至還集成了控制器。

選擇GaN或SiC器件有訣竅

每位工程師都想要一個(gè)完美的開關(guān)，它能在開和關(guān)兩種狀態(tài)之間瞬間切換，而且在兩種狀態(tài)下都不會(huì)有損耗。要在切換時(shí)實(shí)現(xiàn)盡可能低的損耗，依賴于具有多種特性的開關(guān)，包括無限的擊穿電壓，關(guān)閉時(shí)不允許任何電流流動(dòng)，打開時(shí)不維持其間的電壓差，且開關(guān)非常迅速。

事實(shí)上，這樣的開關(guān)是不存在的。真正的開關(guān)擊穿電壓是有限的，關(guān)閉時(shí)有泄漏電流，打開時(shí)維持電壓，狀態(tài)之間切換需要一定時(shí)間。所有真正的開關(guān)總是會(huì)消耗一些能量，無論是開啟還是關(guān)斷。

不過，新技術(shù)拓寬了開關(guān)選項(xiàng)，特別是對(duì)高壓開關(guān)器件。以SiC和GaN為代表的技術(shù)為工程師改進(jìn)電路提供了各種選擇，使我們更接近理想開關(guān)。與以往一樣，新技術(shù)也會(huì)為這些優(yōu)勢付出代價(jià)，但這往往會(huì)被電路設(shè)計(jì)中其他部分的節(jié)省以及性能提高的商業(yè)價(jià)值所抵消。

例如，硅晶圓的生長成本要比SiC晶圓低得多，因?yàn)槠渲圃旃に嚱?jīng)過了量產(chǎn)的優(yōu)化。切割、研磨和拋光SiC晶圓比硅需要更長的時(shí)間，但這些額外費(fèi)用是值得的，因?yàn)閷捊麕Р牧暇哂懈杏玫奶匦浴?/p>

Avnet高級(jí)功率技術(shù)應(yīng)用工程師Udo Blaga認(rèn)為，選擇GaN或SiC器件需要在其性能、成本、工作要求、尺寸、熱效率和可用性之間進(jìn)行設(shè)計(jì)選擇的權(quán)衡。而這樣的的問題幾乎可以自己解決。

他說：“在3歐元插頭電源中，用SiC MOSFET代替硅MOSFET顯然沒有意義。但用SiC二極管代替硅外延二極管來提高電源功率因數(shù)校正（PFC）很值得。這將提高其轉(zhuǎn)換效率1%或2%，也可提供散熱和設(shè)計(jì)方面的額外好處?！?/p>

在某些情況下，用SiC MOSFET代替硅器件需要調(diào)整電路的驅(qū)動(dòng)級(jí)，以提供更高的柵極開啟電壓，并處理有時(shí)可能為負(fù)的柵極關(guān)斷電壓。匹配所需的驅(qū)動(dòng)器級(jí)和晶體管的柵極驅(qū)動(dòng)器件已有成品。做出這種改變的好處是，它將使設(shè)計(jì)的開關(guān)頻率增加三到五倍。這樣就可以通過使用較小的磁性元件和其他無源元件來節(jié)省空間。

WBG的高工作溫度范圍對(duì)某些工業(yè)和汽車應(yīng)用可能是一個(gè)有吸引力的選擇。但是，這些市場對(duì)新技術(shù)的使用持保守態(tài)度，因?yàn)樗麄冃枰录夹g(shù)有很長的使用壽命。一些SiC器件供應(yīng)商通過引入諸如“動(dòng)態(tài)H3TRB高溫、高濕反向偏壓”等試驗(yàn)來解決這一問題，以證明其器件的質(zhì)量與傳統(tǒng)硅替代品相似。

目前，GaN技術(shù)主要用于制造650V單相電網(wǎng)供電設(shè)備，如開關(guān)電源、充電器和適配器、高壓PFC、DC-DC和DC-AC轉(zhuǎn)換器、UPS系統(tǒng)和小型太陽能逆變器等。

Udo Blaga還給出了一種選擇不同類型半導(dǎo)體器件和材料的簡單方法——根據(jù)工作條件選擇器件。

以H橋AC-DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)為例。DC母線電壓為370V，變壓器電流約為3A，開關(guān)頻率為15至25kHz。出于安全考慮，選擇了一種能夠維持650V開關(guān)和至少30A的連續(xù)漏極電流的元件，沒有使用任何膠連邏輯，計(jì)劃使用硅IGBT、硅超結(jié)（SJ）、SiC或GaN器件。

簡單的100W輔助電源SiC MOSFET示例

憑借工作條件，回答關(guān)于這些條件的問題即可做出選擇：

? 電路設(shè)計(jì)是否會(huì)以低于20kHz頻率開關(guān)？

? 功率水平是否高于3kW？

? 如果低成本很重要，器件是否低成本？

? 是否由三相電網(wǎng)供電？

如果上述問題的答案都是“是”，那么最好的選擇就是硅IGBT。

如果設(shè)計(jì)不符合這些標(biāo)準(zhǔn)，那么回答下一組問題以縮小選擇范圍：

? 開關(guān)頻率是否在20kHz和100kHz之間？

? 是否在各種線路和負(fù)載條件下運(yùn)行？

? 是否需要以中等成本實(shí)現(xiàn)高效率？

? 是否由單相電網(wǎng)供電？

如果設(shè)計(jì)符合這些特性，那么最好的器件選擇是硅超級(jí)結(jié)MOSFET。

如果設(shè)計(jì)不符合這些標(biāo)準(zhǔn)，可以繼續(xù)回答問題：

? 開關(guān)頻率是否高于100kHz？

? 是否在各種線路和負(fù)載條件下運(yùn)行？

? 這是一種高功率設(shè)計(jì)，運(yùn)行功率高達(dá)幾千瓦，需要高效率嗎？

? 是否允許功率雙向流動(dòng)？

? 是否由三相電網(wǎng)供電？

如果這些條件適用，那么最佳的器件選擇是SiC MOSFET。

如果還沒有找到需要的器件，應(yīng)該回答以下問題：

? 開關(guān)頻率是否會(huì)高于100kHz且在MHz范圍內(nèi)？

? 是否能在各種線路和負(fù)載條件下運(yùn)行？

? 是否應(yīng)支持中等功率水平，高達(dá)幾百瓦，具有最大功率密度和效率？

? 是否由單相電網(wǎng)供電？

如果設(shè)計(jì)符合這些標(biāo)準(zhǔn)，最好的選擇應(yīng)該是GaN MOSFET。

另一種方法是根據(jù)目標(biāo)應(yīng)用選擇器件。一般來說，250W以上的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、3kW以上的PFC電路、5kW以上的太陽能/風(fēng)能逆變器以及UPS和焊接H橋逆變器應(yīng)使用硅IGBT設(shè)計(jì)。

而對(duì)于250W以下的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、75W和3kW之間的DC-DC轉(zhuǎn)換器、低中功率PFC電路和LCC轉(zhuǎn)換器、正激轉(zhuǎn)換器電源、通用輸入AC-DC反激電路和太陽能微型逆變器，應(yīng)使用硅超級(jí)結(jié)MOSFET。

更高功率的設(shè)計(jì)，如3kW以上的功率因數(shù)校正電路、5kW以上的太陽能逆變器，電動(dòng)汽車和車載充電器，以及一些不間斷電源和嵌入式功率因數(shù)校正電路，應(yīng)該使用SiC MOSFET。

最后，由單相電網(wǎng)線供電、工作電壓低于650V、功率75W至750W，需要小巧、涼爽和便攜的應(yīng)用應(yīng)可以用GaN MOSFET設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)選擇有很多，如性能、成本、工作要求、尺寸、熱效率、可用性等。使用SiC和GaN技術(shù)會(huì)引入更多選項(xiàng)，使這些權(quán)衡變得更加復(fù)雜，但在某些應(yīng)用中，它可以使設(shè)計(jì)更接近完美開關(guān)的特性。

越過GaN驅(qū)動(dòng)的陷阱

自從十多年前第一批問世以來，在電力電子領(lǐng)域，GaN晶體管相對(duì)于硅MOSFET的優(yōu)勢已經(jīng)盡人皆知。事實(shí)上，GaN材料特性為給定導(dǎo)通電阻提供了更低寄生電容、固有的快速開關(guān)瞬態(tài)、反向恢復(fù)和高溫工作能力。這些優(yōu)異性能似乎是高性能功率轉(zhuǎn)換器的完美體現(xiàn)，如更高的功效、更高的功率密度、潛在的無散熱片/風(fēng)扇設(shè)計(jì)等。

然而，為了獲得最佳的GaN技術(shù)性能，需要對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)進(jìn)行優(yōu)化，在嚴(yán)格的電壓和時(shí)間窗口內(nèi)控制柵極源電壓。對(duì)于典型半橋，這意味著在高電壓（如200V）和高dV/dt（如100V/ns）時(shí)，高壓側(cè)柵源電壓會(huì)上下浮動(dòng)。如此嚴(yán)格的工作條件要求有優(yōu)化和專用的柵極驅(qū)動(dòng)技術(shù)，因?yàn)橹挥欣脤Ｓ脰艠O驅(qū)動(dòng)器才能實(shí)現(xiàn)GaN的真實(shí)性能。

MinDCet首席技術(shù)官Jef Thone推薦用MDC901 GaN柵極驅(qū)動(dòng)器來避免掉進(jìn)GaN驅(qū)動(dòng)沿途的陷阱，實(shí)現(xiàn)以下一些功能。

高轉(zhuǎn)換率

GaN功率級(jí)的一大優(yōu)點(diǎn)是快速開關(guān)能力，可以實(shí)現(xiàn)非常低的開關(guān)損耗。低側(cè)和高側(cè)晶體管之間的快速開關(guān)可導(dǎo)致負(fù)載電流非?？斓亟惶?，從而限制總線電壓解耦及其寄生總線環(huán)路電感。MDC901具有獨(dú)立上拉和下拉路徑，可以調(diào)節(jié)輸出級(jí)的轉(zhuǎn)換速率，同時(shí)保持GaN晶體管的低阻抗下拉路徑，以避免寄生導(dǎo)通。

死區(qū)時(shí)間

半橋中的死區(qū)時(shí)間是晶體管關(guān)斷和互補(bǔ)橋晶體管導(dǎo)通之間的時(shí)間。為了獲得最佳效率，需要針對(duì)給定應(yīng)用調(diào)整死區(qū)時(shí)間。MDC901具有單獨(dú)死區(qū)時(shí)間控制功能，可通過一系列數(shù)字輸入來開/關(guān)，對(duì)給定應(yīng)用死區(qū)時(shí)間進(jìn)行靜態(tài)或動(dòng)態(tài)調(diào)整。此外，故障安全工作模式可基于感測GaN柵極電壓來設(shè)置死區(qū)時(shí)間。

柵極過充

在非隔離式應(yīng)用中，柵極驅(qū)動(dòng)器通過低壓電源自舉供電。該技術(shù)通過快速高壓二極管為高壓側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)電源的去耦電容充電。感應(yīng)電壓尖峰或非零死區(qū)時(shí)間將導(dǎo)致負(fù)半橋輸出電壓，可能出現(xiàn)對(duì)GaN柵極有害的過充電。MDC901通過在自舉二極管后的高側(cè)和低側(cè)域中放置全浮置穩(wěn)壓器，避免負(fù)電壓工作期間柵極過充電的風(fēng)險(xiǎn)。這將產(chǎn)生一個(gè)定義良好且可靠保護(hù)的柵極驅(qū)動(dòng)器電壓。

負(fù)輸出電壓運(yùn)行

輸出驅(qū)動(dòng)電壓的負(fù)擺幅取決于寄生源電感和功率轉(zhuǎn)換器的負(fù)載條件，它很難預(yù)測。MDC901專門設(shè)計(jì)的電平轉(zhuǎn)換單元和浮動(dòng)電源允許負(fù)輸出電壓運(yùn)行至-4V，即使在高感應(yīng)電流下也可實(shí)現(xiàn)精確的柵極控制。

高占空比運(yùn)行

柵極驅(qū)動(dòng)器的自舉是在半橋中提供電荷以控制高壓側(cè)晶體管的簡單而有效的方法。不過，前置驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中所需的支持電路的偏置會(huì)導(dǎo)致自舉電壓泄漏，需要設(shè)置可維持的最大占空比或限制可使用的調(diào)制深度。對(duì)于高占空比應(yīng)用（如電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和D類放大器），必須在較長時(shí)間內(nèi)保持高壓側(cè)開啟狀態(tài)。該功能在MDC901中通過集成電荷泵實(shí)現(xiàn)，可在100%占空比條件下補(bǔ)償DC偏置。

為了發(fā)揮GaN功率級(jí)的真正優(yōu)點(diǎn)，需要有一個(gè)專門用于GaN晶體管的優(yōu)化柵極驅(qū)動(dòng)器。這樣，GaN的功能才可以被推到極限，產(chǎn)生盡可能高的性能，從而提供最大的技術(shù)和投資回報(bào)。

寫在最后主流化漸行漸近

WBG技術(shù)的應(yīng)用前景非常光明，用它開發(fā)的新產(chǎn)品會(huì)有巨大的增長潛力。在硅雙極結(jié)晶體管（Bipolar Junction Transistor，BJT）讓位給開關(guān)硅MOSFET 40年之后，我們看到了電力電子技術(shù)的“第二次革命”，而WBG正是這場革命的催化劑。

編輯：jq