寬帶隙（WBG）半導體多年來一直是“熱門”話題，并已從未來技術(shù)穩(wěn)步進入當今主要市場領(lǐng)域，到2024年，市場增長預計將在未來五年中以33.4％的復合年增長率增長至18.2億美元 [1]。根據(jù)Yole Développment研究人員的研究，WBG器件使用碳化硅（SiC）或氮化鎵（GaN）材料制造，其中SiC所占比例最高，至2018年約為98％ [2]。他們預測主要的市場驅(qū)動力將是汽車，到2024年SiC約占半導體功率開關(guān)的50％。

那么，“寬帶隙”設備是什么？它們是采用具有以下特征的材料制成的半導體，即，需要相對較高的能量才能將電子從原子的“價帶”移至“導帶”。此“帶隙”以電子伏特（eV）進行測量，作為比較，傳統(tǒng)硅（Si）的帶隙值為1.1eV，而SiC則為3.26eV，GaN為3.4eV。寬帶隙器件還具有更好的電子飽和速度，而SiC具有特別好的導熱性。與圖1中的Si相比，這些和其他的差異產(chǎn)生了某些特性，并為寬帶隙器件帶來了巨大的優(yōu)勢。

圖1：與硅相比，SiC和GaN材料的特性

寬帶隙器件的擊穿電壓額定值提高了10倍

如圖1所示，對于給定的厚度，電壓擊穿特性比Si好出了約10倍，例如，使用SiC材料的器件可以具有10倍薄的漂移層和10倍的摻雜濃度。對于相同的阻斷電壓，這產(chǎn)生的導通電阻比Si低得多，與Si相比，在相同的芯片面積上，直接產(chǎn)生更低的功耗。憑借其極高的導熱率，SiC芯片可以有效地將熱量引出封裝，從而在最小的空間內(nèi)實現(xiàn)大功率。由于具有高壓擊穿特性，漏電流也較低，特別是在高溫下。

小尺寸意味著低電容和高速

寬帶隙半導體可通過高阻斷電壓實現(xiàn)較小的芯片尺寸，從而產(chǎn)生較低的內(nèi)部器件電容。在開關(guān)應用中，必須在每個周期內(nèi)對電容進行充電和放電，這代表著循環(huán)電流和功耗，因此，與Si相比，SiC和GaN具有更大的優(yōu)勢。例如，由于柵極到源極和柵極到漏極的電容而產(chǎn)生的柵極電荷，在IGBT中可能是幾個微庫侖，而對于功率MOSFET則可能是數(shù)百個納米庫侖，但是對于SiC器件，即使對于大功率器件，也只有幾十個納米庫侖，例如 Infineon的FF45MR12W1M1_B11，其額定電壓為1200V和25A（圖2）。這不僅有助于快速切換，還可以降低柵極驅(qū)動器的功率要求，大型IGBT可能需要幾瓦的功率來驅(qū)動其柵極，而SiC和GaN的功率則通常為幾毫瓦。

圖2：Infineon的SiC模塊額定電壓為1200V/25A，總柵極電荷僅為62nC

寬帶隙設備讓高溫成為可能

SiC和GaN的有用特性之一，是它們能夠在比Si更高的結(jié)溫下工作。一些制造商已證明其器件可在超過500°C的峰值溫度下工作，盡管實際上，封裝將其溫度值限制為硅部件的溫度值。但寬帶隙器件更好的額定值在瞬態(tài)熱條件下具有很大的余量。與Si相比，SiC的關(guān)鍵參數(shù)隨溫度的變化（例如導通電阻和柵極泄漏）也要低得多。

應用優(yōu)勢

使用寬帶隙設備的主要驅(qū)動力是降低開關(guān)應用中的損耗。現(xiàn)在，服務器電源等應用的效率目標通常超過98％，而這些數(shù)值實際上只能通過SiC或GaN技術(shù)來實現(xiàn)。但是，僅簡單地將舊技術(shù)（例如Si-MOSFET）替換為SiC時，無法實現(xiàn)最佳的解決方案，例如：邊沿速率將更快，從而降低設備的損耗，但EMI也將更高，需要額外的緩沖和濾波，這又增加了損耗。通過徹底的重新設計可實現(xiàn)全部的優(yōu)勢，將工作頻率提高到開關(guān)損耗仍然很低的水平，但也可節(jié)省外部組件（尤其是磁性器件）的成本，這些組件通常會隨著頻率的增加而縮小尺寸并降低成本。隨著工作頻率的提高，電路板布局也至關(guān)重要。最佳解決方案還將取決于成本、尺寸和重量的目標，例如：在汽車電機驅(qū)動應用中，效率、尺寸和重量都得到了重視，這有可能擴大汽車的行程。外部組件在應用中影響不大，因為涉及的“磁性”是電動機繞組，電動機繞組的縮放比例取決于轉(zhuǎn)矩和功率，而不是開關(guān)的頻率。因此，不會將電機驅(qū)動開關(guān)的頻率推得太高。

在工業(yè)驅(qū)動應用中，重量可能不是問題，但是效率和尺寸的改進可以允許在機柜中安裝更多的驅(qū)動器，從而有可能節(jié)省寶貴的工廠占地面積，并提高生產(chǎn)效率。

設計注意項

使用寬帶隙器件進行設計時，需要注意一些事項。柵極驅(qū)動電壓對于實現(xiàn)最佳開關(guān)性能至關(guān)重要，并且在不同類型之間各不同：例如，Littelfuse（IXYS）為其SiC MOSFET器件LSIC1MO120E0080建議+20V/-5V的工作值和+22V/-6V的最大數(shù)值。根據(jù)數(shù)據(jù)手冊，柵極閾值電壓可低至1.8V，但為了獲得最低的導通電阻，應施加20V的電壓。當向柵極施加0V電壓時，設備將關(guān)閉，但通常建議使用負電壓來抵消源極連接中極快的di/dt引起的瞬態(tài)效應，該瞬態(tài)效應與源封裝和互連電感發(fā)生反應，從而產(chǎn)生瞬態(tài)電壓，可能會虛假地開啟設備。寬帶隙器件將在幾納秒內(nèi)切換，但是許多實際設計會使用串聯(lián)柵極電阻和鐵氧體磁珠故意降低開關(guān)邊沿速率，以避免EMI和高di/dt問題（圖3）。

圖3：符合EMI要求的柵極電阻器控制開關(guān)速率（顯示SiC級聯(lián)）

在許多應用中，例如逆變器中的電橋電路會發(fā)生“換向”，即，電流由電感負載在開關(guān)中反向流動。對于IGBT電路，必須有一個并聯(lián)二極管以允許換向，但在MOSFET中，本體二極管是固有的，在某些情況下可以代替外部二極管。對于Si-MOSFET，二極管相對較慢并且會降低高電壓，因此效率不高。對于SiC MOSFET，二極管要快得多（提到的Wolfspeed器件典型值為45ns），但與快速Si二極管相比，二極管的正向壓降仍然較高（3.3V）。GaN器件沒有體二極管，但可以通過其通道反向傳導，但沒有反向恢復電荷。

可用設備

對于非常高頻率的應用，為避免寄生效應，首選無鉛表面貼裝類型，例如：Infineon為其GaN器件而青睞PG-HSOF-8-3封裝。不過，大多數(shù)供應商都提供含鉛TO-247封裝的零件以簡化散熱，并為同一封裝中的IGBT或Si-MOSFET等較早的技術(shù)提供簡便的升級途徑。常用器件為常關(guān)SiC MOSFET，但也可提供常開SiC JFET。諸如UnitedSiC之類的一些供應商，提供SiC JFET和Si-MOSFET組合的共源共柵。這些器件具有SiC的溫度和速度優(yōu)勢，但也具有Si-MOSFET的柵極驅(qū)動的簡便性。它們沒有體二極管，但在低電壓降且沒有反向恢復的情況下，沿反向傳導。它們也有“堆疊”版本，可用于更高的電壓的應用。

應用

在功率因數(shù)校正和轉(zhuǎn)換階段，SiC半導體被牢固地建立在AC-DC電源中，數(shù)據(jù)中心是它們對更高功率密度和節(jié)能要求的主要驅(qū)動力。SiC現(xiàn)在普遍應用于電機驅(qū)動器和逆變器中，電動汽車充電設備則是其主要的應用。電動汽車和鐵路等其他領(lǐng)域的牽引逆變器，也正在從IGBT過渡到SiC。此外，其他技術(shù)也占有一席之地，但SiC被認為在更高頻率和更寬功率范圍內(nèi)占據(jù)主導地位（圖4）。

圖4：功率開關(guān)市場中的SiC (來源: Infineon)

上述提及的SiC器件以及更多器件產(chǎn)品，可從經(jīng)銷商TME Electronic Components[3]處購得。