使用 WBG 半導體進行設計需要一些額外的專業(yè)知識

作者：Gina Roos，主編?

硅 (Si) 基半導體比寬帶隙 (WBG) 半導體領先數(shù)十年，主要是碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN)，并且仍然擁有約 90% 至 98% 的市場份額。給芯片供應商。盡管離成熟的技術還很遠，但 WBG 半導體由于其優(yōu)于硅的性能優(yōu)勢（包括更高的效率、更高的功率密度、更小的尺寸和更少的冷卻），正在跨行業(yè)進軍。

使用基于 SiC 或 GaN 的功率半導體獲得最佳設計需要更多的專業(yè)知識和幾個領域的仔細考慮，包括開關拓撲、電磁干擾 (EMI)、布局、并聯(lián)和柵極驅動器的選擇。解決可靠性和成本問題也很重要。

在可以使用 Si、SiC 和 GaN 的重疊應用中，選擇歸結為密度、效率和成本，一旦設計人員了解這三個參數(shù)，就會指導他們使用哪種開關技術。（圖片：英飛凌科技）

為什么要轉投WBG？這一切都始于基于設計目標從 Si 轉向 SiC 或 GaN 功率器件的決定。

Infineon Technologies AG 功率分立技術營銷工程師 Bob Yee 表示，無論是使用硅還是切換到 SiC 或 GaN，設計人員都需要考慮三件事——成本、效率和密度。英飛凌憑借其 CoolSiC 和 CoolGaN 產品組合涉足 SiC 和 GaN 市場，還提供 Si MOSFET 和 IGBT。

Yee 說，成本以每瓦特美元、功率輸入/功率輸出百分比來衡量，密度以每立方英寸瓦特為單位?！耙坏┠愦_定了這些目標，這將決定技術的類型以及成本點在哪里?！?/p>

對功率半導體器件不斷增長的需求正在推動寬帶隙半導體市場。主要參與者一直在投資開發(fā)和大規(guī)模生產用于 SiC 和 GaN 的材料和晶圓。WBG市場將走向何方？誰是統(tǒng)治者？他們如何解決數(shù)十年來成本高、數(shù)量有限和供應鏈受限的問題？這個 EE Times 特別項目將揭示 WBG 半導體市場的技術、應用和動態(tài)。

Yee 說，尺寸和重量對于了解您使用的是硅還是 WBG 很重要，并舉了一個小尺寸適配器設計的例子，它可能會在 Si MOSFET 上使用 GaN 晶體管 (HEMT)。原因？GaN 更高的開關頻率允許設計人員縮小占電源尺寸很大一部分的磁性元件的尺寸。

“設計師必須了解他們的密度需求是什么，這最終將決定效率，因為在小尺寸中散熱的空間更少，”他補充道?！斑@意味著需要更高的效率，推動設計人員使用 WBG?！?/p>

神奇的線硅基解決方案在過去的幾十年中實現(xiàn)了更高的效率和更小的尺寸，但在某一點上，WBG 半導體可以提供更好的效率。Yee 舉了一個 100W 電源的例子——100W 輸入和 94W 輸出，這意味著 6% 的損耗或 94% 的效率。“這就是你從硅分離到使用 WBG 技術的神奇路線，”他說。“如果工程師設計的比例高達 94%，那么它已經被硅覆蓋了，沒有理由去 WBG 并支付更多費用。但是，如果您想實現(xiàn) 96% 的效率，除了使用 WBG 之外別無選擇，這歸結為除了拓撲結構之外，開關本身的特性上的寄生損耗。

“如果你想實現(xiàn) 96% 的效率，你需要一種利用 GaN 或 SiC 的新拓撲，”他補充道。

一個很好的例子是使用功率因數(shù)校正 (PFC) 拓撲。如果設計人員查看開關技術如何針對特定拓撲進行優(yōu)化——例如，利用 WBG 的圖騰柱 PFC——它會提高性能，Yee 說，“這就是為什么無橋圖騰柱 PFC 確實是一個灌籃為世界銀行集團?！?/p>

設計人員需要通過查看開關技術如何針對特定拓撲進行優(yōu)化以實現(xiàn)最大的性能改進來評估 WBG 設備。（圖片：英飛凌科技）

挑戰(zhàn)設計人員可以優(yōu)化他們的設計以實現(xiàn)更高的頻率、更高的功率密度和更高的效率。這就是出現(xiàn)一些 WBG 技術挑戰(zhàn)的地方。當以更高的頻率進行開關時，設計人員需要注意 EMI 和更高的開關損耗。

WBG 的寄生效應小于硅等效器件，這意味著 EMI 很容易升高，因為它是一個更快的開關。Yee 表示，當您針對高頻進行優(yōu)化時，您需要注意 EMI，并且需要考慮額外的開關損耗。

SiC FET、SiC JFET 和 SiC 肖特基二極管的制造商 UnitedSiC 的工程副總裁 Anup Bhalla 對此表示同意?！癊MI 問題變得更加嚴重，尤其是當您試圖獲得更高功率密度的系統(tǒng)優(yōu)勢時，這實際上意味著一切都變得更小，而它變得更小的唯一方法就是更快地切換。這使您可以將變壓器、電感器、散熱器和其他東西做得更小?！?/p>

Bhalla 說，更快的切換還意味著您正在以高電壓和電流的變化率運行，這可能導致大的電壓過沖和 EMI 問題，因此布局變得更具挑戰(zhàn)性。

“電路電源側的這些快速電壓變化很容易影響電路的信號側，因為它可以在你不知道的情況下在這里或那里發(fā)送一點電壓尖峰，”他說。“它可能會在錯誤的時間觸發(fā)柵極驅動器并炸毀一切，因此您必須更加小心布局。這通常需要 [客戶] 進行大量的工程工作才能達到目標，而且他們中的許多人在過去的四五年中實現(xiàn)了這一飛躍?！?/p>

優(yōu)化布局布局可能是一個挑戰(zhàn)；Yee 說，最大的障礙是司機和登機口之間?！霸O計師需要注意三個終端。它是驅動器輸出到柵極輸入，無論是 SiC 還是 GaN，以及驅動器源極到 WBG 器件源極的接地連接?！?/p>

Yee 說，他們需要最小化的第一件事是環(huán)路電感，因為 WBG 部件的開關速度要快得多。“如果他們不注意這一點，他們就會制造出會發(fā)射輻射的收音機?！?因此，需要特別注意這些連接。為了緩解這一挑戰(zhàn)，英飛凌建議使用具有 Kelvin 源功能的 WBG 器件。

布局也影響高功率應用的并聯(lián)。Bhalla 說，并行相當簡單?！斑@是相同的一般物理特性——你必須保持布局對稱和平衡。我們必須保持零件之間的參數(shù)分布相對緊湊，以便所有零件看起來大致相同，以便它們容易平行。

“設計師喜歡采用這些快速部件并將它們并聯(lián)起來，就像他們在過去并聯(lián) IGBT 一樣，”他補充道?！斑@很困難，因為 IGBT 的速度要慢得多，因此它們更容易并聯(lián)。當您嘗試同時以 10 倍的速度并行和切換時，您必須在布局方面做更多的工作。

“你必須小心，至少要進行一半體面的布局，以使并行設備之間的所有當前路徑看起來大致相同。你不能讓一個設備的電感只有另一個設備的五分之一，然后期望它們并聯(lián)；那是行不通的?！?/p>

Bhalla 說，有時向工程師展示如何解決布局和并行方面的挑戰(zhàn)的最簡單方法是給他們一個演示板。“我們非常小心地確保當您并行使用這些設備時，用于驅動柵極的環(huán)路必須與路由所有功率/電流的環(huán)路保持分離。柵極驅動電路是一個小環(huán)路，然后有一個強大的大環(huán)路驅動所有功率/電流，您希望最大限度地減少這兩者之間的耦合。如果你這樣做了，你就會知道并行會變得更好、更容易?！?/p>

使用 GaN 器件時也是如此?！肮こ處煴仨毐纫郧案玫亓私獠季?，因為 GAN 速度很快，”GaN HEMT/E-HEMT 器件專家 GaN Systems 銷售和營銷副總裁 Larry Spaziani 說。“如果您沒有正確的布局，那么您可能會遇到性能或 EMI 甚至故障模式的問題。

“GaN 不會改變布局規(guī)則，但一切都更小、更緊湊、更緊湊，所以你必須確保你做對了，”他補充道。

Yee 解釋說，對 SiC 進行微調SiC 可以用作 Si IGBT 或 Si MOSFET 的性能替代品，部分原因是驅動結構非常相似——它是一個常關部件并使用標準驅動器，但存在細微差別。

使用 Si MOSFET，驅動電壓為 10 V 至 12 V；但是，如果您使用 SiC，它是 0 V 到 18 V，并且欠壓鎖定 (UVLO) 從 Si 的 8 V 變?yōu)?SiC 的 13 V，因此設計人員在從 Si 遷移到碳化硅，Yee 解釋說。

但是，使用GaN，驅動結構就完全不同了；他補充說，它與 IGBT 或 MOSFET 不同?！澳仨毷褂镁哂刑囟ㄩ_啟和關閉時間的特定驅動程序。因此，設計人員確實需要注意驅動方案，不僅是時序，而且如果他們要并聯(lián) GaN FET，他們必須在驅動器和 GaN FET 之間實現(xiàn)完美的對稱布局。”

需要注意的是，只要 GaN 支持柵極驅動電壓和 UVLO，設計人員就可以使用標準驅動器，但同樣需要對設計進行調整。大多數(shù)供應商建議使用新一代柵極驅動器，以通過能夠以最快的開關速度進行開關來獲得最高性能。

與專用 GaN 驅動器相比，使用標準柵極驅動器驅動 GaN 器件需要添加負電壓電源以安全地打開和關閉器件。（圖片：英飛凌科技）

“如果您使用標準驅動器，您必須為 GaN 提供正電壓和負電壓，這就是我們更喜歡客戶使用專用驅動器的原因，”Yee 說。他推薦英飛凌的 1EDF56x3 系列 GaN 柵極驅動器。

并非所有 SiC 器件都是一樣的大多數(shù) WBG 器件并不是 Si MOSFET 或 Si 晶體管的直接替代品。一個例外是級聯(lián)型設備，幾乎不需要額外的工程工作。然而，設計人員失去了 WBG 半導體的一些優(yōu)勢。

一個例子是 UnitedSiC 的 SiC 產品，這些產品都采用硅兼容封裝。這意味著這些設備實際上可以將它們放入以前使用 IGBT 或 Si 超結 MOSFET 的插座中。

Bhalla 說，其產品的獨特之處之一是它制造了像 MOSFET 一樣工作的基于級聯(lián)的器件。這些 SiC FET 包括與級聯(lián)優(yōu)化的 Si MOSFET 共同封裝的 SiC 快速 JET，以提供采用標準通孔和表面貼裝封裝的標準柵極驅動 SiC 器件?！拔覀兊募壜?lián)型器件是一個字面上的插入，除了柵極電阻變化之外沒有任何變化，”他說。

此外，這些設備不需要特殊的驅動程序；Bhalla 說，它們與所有主要供應商已投放市場十年的標準硅柵極驅動器 IC 兼容，包括與 SiC MOSFET 和“老式”IGBT 一起使用的舊產品。

他補充說，在過去兩年中，專門為 SiC 開發(fā)了許多優(yōu)秀的柵極驅動器?！八鼈兏F，但人們已經開始使用它們，我們的設備也與那些更好的驅動程序兼容。”

但也有一些缺點，包括無法從 WBG 設備中獲得最高性能?！拔覀冊谶@些封裝中銷售我們的超高速器件，其中包含大量電感，”Bhalla 說?！爱斈阃ㄟ^這些封裝在電路中設置高轉換率 (di/dt) 時，它只會加劇快速開關的所有問題——更大的過沖、更多的振蕩等?！?/p>

Bhalla 說，向更好的包裝過渡是一項正在進行的工作。“這就是現(xiàn)實：人們正在使用 SiC 的部分優(yōu)勢，并且仍然在他們的終端系統(tǒng)中以廉價和骯臟的方式獲得一些好處。

“世界上很大一部分地區(qū)仍在使用硅，因此對于他們從硅轉向碳化硅來說，我們提供了一個非常好的墊腳石，”他說。

Bhalla 認為，到明年，將會有很多頂部冷卻的表面貼裝封裝，甚至是將整個半橋集成在一個封裝中的表面貼裝型模塊?！八仨毻瓿桑驗槟阒?，如果沒有它，用戶就無法從中獲得所有好處，他們也無法進入下一個層次，”他說。

例如，UnitedSiC 最近推出了采用 TO-247 封裝的7mΩ R DS(ON) 、650V 器件。（低 R DS(ON)可以實現(xiàn)更高的效率。）該公司最接近的競爭對手的導通電阻高出 3 倍，但 UnitedSiC 遇到的一個問題是封裝引線實際上比芯片更熱?！八晕覀儾捎昧艘粋€ 200-A 的設備并將其降額到 120 A，因為當我們在實踐中使用這個設備時，我們發(fā)現(xiàn)引線比芯片本身更熱，”Bhalla 說。

UnitedSiC通過在熟悉的 TO-247 封裝中結合第三代 SiC JFET 和級聯(lián)優(yōu)化的 Si MOSFET，推出了第一款 SiC FET，其 R DS(on) <10 mΩ，效率更高，損耗更低在相同的 Si IGBT 柵極電壓下。（圖片：UnitedSiC）

GaN 使從消費類電子產品到汽車領域的 OEM 設計人員有幾個共同的設計要求：他們想要更高的功率密度和更小的電子產品。

Spaziani 說，在更高的頻率下，電力系統(tǒng)中的幾乎所有組件（電容器、電感器、變壓器等）都可以更小，而且由于 GaN 非常高效且產生的熱量非常少，因此它不需要任何熱量散熱器，因此設計人員只需卸下散熱器即可節(jié)省空間和成本?；蛘咚麄兛赡軙３窒嗤念l率以實現(xiàn)更高的效率。他說，通常情況下，即使效率提高 1%，也足以讓服務器電源領域的客戶從鉑金級提升到鈦金級 [96% 效率]。

Spaziani 說，這與工程師通常會做的事情沒有什么不同。無論他們使用硅還是其他技術，他們通常都必須優(yōu)化他們的電路板，但柵極驅動有所不同。對于 GaN 和 SiC，柵極驅動行為不同于硅 MOSFET 和硅 IGBT，因此工程師首先要問的是，“我如何驅動柵極？”

在過去的 30 年里，MOSFET 基本上變成了 0 到 12 V 的柵極驅動電路，而 GaN 要么是 –3 到 6 V，要么是 0 到 10 V，要么是 0 到 5 V；Spaziani 說，它們都有點不同?！暗孟⑹牵珿aN Systems 現(xiàn)在已經進入了六年的旅程，我們有大約十二家主要的半導體公司已經創(chuàng)造了驅動 GaN 的驅動力，所以現(xiàn)在，這只是一個簡單的應用決策。”

GaN Systems 還提供了一種稱為 EZDrive 的電路，它消除了對分立驅動器的需求。它將 12V MOSFET 驅動器轉換為具有大約六個組件的 6V GaN 驅動器?！八娴暮鼙阋?，而且適配器設計師喜歡這種電路，”Spaziani 說。“它易于使用、不耗電、體積小，而且他們不必定制柵極驅動器。”

揭穿 GaN 神話GaN 供應商認為仍然存在一些關于 GaN 技術的神話，要么是錯誤的，要么是半真半假的。問題包括 EMI、并聯(lián)、雪崩能力、可靠性和成本。

GaN 器件的 EMI 更糟。GaN 提供出色的開關邊沿，可實現(xiàn)更高的效率和更高的頻率，但這并不意味著 EMI 更差。事實上，供應商表示它通常比具有良好布局的硅更好，并且可以產生更小的 EMI 濾波器，從而降低成本。

并行是一個常見的問題。一個神話是 GaN 只擅長低功率和高頻。例如，GaN Systems 的客戶切換頻率為 20 kHz 至 20 MHz，并且在高功率下，它們是并聯(lián)設備。GaN晶體管可以很好地并聯(lián)；只需確保每個晶體管承載大約相同數(shù)量的電流即可。例如，如果你并聯(lián)兩個設備，一個晶體管承載 70% 的電流，它會更快磨損，電路也會更快失效。警告：來自不同 SiC 和 GaN 供應商的器件的平行度略有不同。

沒有雪崩能力。MOSFET 進入雪崩模式以抑制電壓尖峰，以保護電路的其余部分免受故障。GaN 器件制造商解決此問題的方法是在額定電壓中設計大量余量。例如，GaN Systems 的 650 V 額定器件在超過 1,000 V 之前不會出現(xiàn)故障。

可靠性和成本不等于硅。可靠性是通過時間故障 (FIT) 來衡量的。硅已經存在了幾十年，并且被大多數(shù)供應商證明是可靠的。但 WBG 半導體并非如此。與任何新技術一樣，可靠性風險也會增加，成本也會更高。WBG 設備和硅設備之間的比較是一個艱難的比較，因為硅芯片的可靠性有據(jù)可查，而且多年來的大批量生產降低了成本。

但一些 WBG 供應商，如 GaN Systems，表示可靠性 [FIT] 與硅相當，價格差距在過去五年中顯著縮小，從 3 倍到 5 倍下降到 1.5 倍到 2 倍以上。