使用 WBG 半導(dǎo)體進(jìn)行設(shè)計(jì)需要更多的奉獻(xiàn)精神

工程師熟悉電磁干擾、并聯(lián)和布局，但在從硅基芯片過渡到碳化硅或?qū)拵镀骷r，需要多加注意。

據(jù)chip稱，硅（Si）基半導(dǎo)體比寬帶隙（WBG）半導(dǎo)體領(lǐng)先十年，主要是碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）仍占有約90%至98%的市場份額。供應(yīng)商。盡管遠(yuǎn)非成熟的技術(shù)，WBG 半導(dǎo)體正在跨行業(yè)進(jìn)軍，這要?dú)w功于它們相對于硅的性能優(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。

使用基于 SiC 或 GaN 的功率半導(dǎo)體獲得最佳設(shè)計(jì)需要更多的專業(yè)知識和在多個領(lǐng)域的仔細(xì)考慮，包括開關(guān)拓?fù)?、電磁干擾 (EMI)、布局、并聯(lián)和柵極驅(qū)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(yīng)用中，選擇歸結(jié)為密度、效率和成本，一旦設(shè)計(jì)人員了解這三個參數(shù)，就會指導(dǎo)他們使用哪種開關(guān)技術(shù)。（圖片：英飛凌科技）

為什么要搬到WBG？

這一切都始于根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)決定從基于硅的功率器件轉(zhuǎn)向基于碳化硅或氮化鎵的功率器件。

Infineon Technologies AG 功率分立器件技術(shù)營銷工程師 Bob Yee 表示，無論是使用硅還是改用 SiC 或 GaN，設(shè)計(jì)人員都必須檢查成本、效率和密度這三個因素。據(jù)記載，英飛凌憑借 CoolSiC 和 CoolGaN 產(chǎn)品組合同時涉足 SiC 和 GaN 市場，還提供 Si MOSFETS 和 IGBT。

Yee 說，成本以每瓦特美元、功率輸入/輸出百分比的效率以及每立方英寸瓦特的密度來衡量?！耙坏┠愦_定了這些目標(biāo)，這將決定技術(shù)的類型以及成本點(diǎn)在哪里?！?/p>

Yee 引用了一個小尺寸適配器設(shè)計(jì)的例子說，尺寸和重量對于理解你是使用硅還是 WBG 很重要，它可能會在 Si MOSFET 上使用 GaN 晶體管 (HEMT)。原因？GaN 的更高開關(guān)頻率允許設(shè)計(jì)人員縮小磁性元件的尺寸，這在電源尺寸中占很大一部分。

“設(shè)計(jì)人員必須了解他們的密度需求是什么，這最終將決定效率，因?yàn)樾〕叽绲纳峥臻g更小，”他補(bǔ)充道?！斑@意味著效率需要更高，促使設(shè)計(jì)人員使用 WBG?！?/p>

神奇的線

幾十年來，基于硅的解決方案實(shí)現(xiàn)了更高的效率和更小的尺寸，但 WBG 半導(dǎo)體在某一點(diǎn)上提供了更好的效率。Yee 舉了一個 100 W 電源的例子——100 W 輸入和 94 W 輸出，這意味著 6% 的損耗或 94% 的效率?！斑@是從硅分離到使用 WBG 技術(shù)的神奇線，”他說?！叭绻こ處煹脑O(shè)計(jì)高達(dá) 94%，那么它就被硅覆蓋了，沒有理由去 WBG 支付更多費(fèi)用。但是，如果您試圖實(shí)現(xiàn) 96% 的效率，則除了使用 WBG 之外別無選擇，這歸結(jié)為除了拓?fù)渲?，開關(guān)本身屬性的寄生損耗。

“如果您想實(shí)現(xiàn) 96% 的效率，您需要一種利用 GaN 或 SiC 的新拓?fù)?，”Yee 補(bǔ)充道。

一個很好的例子是使用功率因數(shù)校正 (PFC) 拓?fù)?。Yee 說，如果設(shè)計(jì)人員著眼于如何針對特定拓?fù)鋬?yōu)化開關(guān)技術(shù)——例如，利用 WBG 的圖騰柱 PFC——它會提高性能，“這就是為什么無橋圖騰柱 PFC 真的是一個扣籃為世界銀行集團(tuán)?！?/p>

設(shè)計(jì)人員需要通過查看開關(guān)技術(shù)如何針對特定拓?fù)溥M(jìn)行優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)最大的性能改進(jìn)來評估 WBG 器件。（圖片：英飛凌科技）

挑戰(zhàn)

設(shè)計(jì)人員可以優(yōu)化他們的設(shè)計(jì)以獲得更高的頻率、更高的功率密度和更高的效率。這就是一些 WBG 技術(shù)挑戰(zhàn)出現(xiàn)的地方。當(dāng)以更高頻率進(jìn)行開關(guān)時，設(shè)計(jì)人員需要注意 EMI 和更高的開關(guān)損耗。

WBG 的寄生效應(yīng)小于硅等效物，這意味著 EMI 很容易升高，因?yàn)樗且环N更快的開關(guān)。Yee 說，當(dāng)您針對高頻進(jìn)行優(yōu)化時，您需要注意 EMI，并且需要考慮額外的開關(guān)損耗。

SiC FET、SiC JFET 和 SiC 肖特基二極管制造商 UnitedSiC 工程副總裁 (VP) Anup Bhalla 表示同意?！癊MI 問題會變得更加嚴(yán)重，尤其是當(dāng)您試圖獲得更高功率密度的系統(tǒng)優(yōu)勢時，這實(shí)際上意味著一切都變得更小，而變得更小的唯一方法就是您的開關(guān)速度要快得多。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，更快的開關(guān)也意味著您正在以高電壓和電流變化率運(yùn)行，這可能導(dǎo)致大的電壓過沖和 EMI 問題，因此布局變得更具挑戰(zhàn)性。

“電路電源端的這些快速電壓變化很容易影響電路的信號端，因?yàn)樗梢栽谀悴恢榈那闆r下在這里或那里發(fā)送一點(diǎn)電壓尖峰，”他說?！八赡軙阱e誤的時間觸發(fā)柵極驅(qū)動器并炸毀所有東西，因此您必須在布局上更加小心。通常需要[客戶]付出相當(dāng)大的工程努力才能達(dá)到目標(biāo)，而且他們中的很多人在過去的四五年里已經(jīng)實(shí)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，最大的障礙是在司機(jī)和大門之間?！霸O(shè)計(jì)師需要注意三個終端。它是驅(qū)動器輸出到柵極輸入，無論是 iw56\s SiC 還是 GaN，以及驅(qū)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?yàn)?WBG 部件的開關(guān)速度要快得多?！叭绻麄儾蛔⒁膺@一點(diǎn)，他們就會制造出會發(fā)出輻射的收音機(jī)。” 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開爾文源功能的 WBG 器件。

布局也會影響更高功率應(yīng)用的并聯(lián)。Bhalla 說，平行是相當(dāng)簡單的?！斑@是相同的一般物理學(xué)——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)分布相對緊密，這樣所有零件看起來都差不多，這樣它們就很容易平行。

“設(shè)計(jì)人員喜歡采用這些快速部件并將它們并聯(lián)起來，就像過去并聯(lián) IGBT 一樣，”他補(bǔ)充道?！斑@很難，因?yàn)?IGBT 的速度要慢得多，因此它們更容易并聯(lián)。當(dāng)您嘗試并行并同時將切換速度提高 10 倍時，您必須在布局方面做更多的工作。

“你必須小心，至少要做好一半的布局，這樣并行設(shè)備之間的所有電流路徑看起來都差不多。你不能讓一個設(shè)備的電感只有另一個的五分之一，然后期望它們并聯(lián)；這是行不通的?！?/p>

Bhalla 說，有時向工程師展示如何解決布局和并聯(lián)方面的挑戰(zhàn)的最簡單方法是給他們一個演示板?！拔覀兎浅Ｐ⌒牡卮_保當(dāng)您并行使用這些設(shè)備時，用于驅(qū)動?xùn)艠O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(qū)動電路是一個小回路，然后有一個強(qiáng)大的大回路驅(qū)動所有的功率/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，你就會知道并行變得更好、更容易?！?/p>

使用 GaN 器件時也是如此?！肮こ處煴仨毐冗^去更好地理解布局，因?yàn)?GAN 速度很快，”GaN Systems 銷售和營銷副總裁 (VP)、GaN HEMT/E-HEMT 設(shè)備專家 Larry Spaziani 說?！叭绻鷽]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、更緊密、更緊湊，所以你必須確保你做得對，”他補(bǔ)充道。

碳化硅的小調(diào)整

Yee 解釋說，SiC 可以用作 Si IGBT 或 Si MOSFET 的性能替代品，部分原因是驅(qū)動結(jié)構(gòu)非常相似——它是一個常關(guān)部件并使用標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動器，但存在細(xì)微差別。

使用 Si MOSFET，驅(qū)動電壓為 10 V 至 12 V；但是，如果您使用 SiC，則為 0 V 至 18 V，并且欠壓鎖定 (UVLO) 從 Si 的 8 V 變?yōu)?SiC 的 13 V，因此設(shè)計(jì)人員在移動時需要做一些細(xì)微的調(diào)整Yee 解釋說，從 Si 到 SiC。

但是，對于GaN，驅(qū)動結(jié)構(gòu)完全不同；他補(bǔ)充說，它與 IGBT 或 MOSFET 不同。“您必須使用具有特定開啟和關(guān)閉時間的特定驅(qū)動程序。因此，設(shè)計(jì)人員確實(shí)需要注意驅(qū)動方案，不僅要注意時序，而且如果要并行 GaN FET，則必須在驅(qū)動器和 GaN FET 之間具有完美的對稱布局?！?/p>

需要注意的是，設(shè)計(jì)人員可以使用 GaN 的標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動器，只要它支持柵極驅(qū)動電壓和 UVLO，但同樣需要對設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整。大多數(shù)供應(yīng)商建議使用更新一代的柵極驅(qū)動器，以通過能夠以最快的開關(guān)速度進(jìn)行開關(guān)來獲得最高性能。

與專用 GaN 驅(qū)動器相比，使用標(biāo)準(zhǔn)柵極驅(qū)動器驅(qū)動 GaN 器件需要添加負(fù)電壓電源以安全地開啟和關(guān)閉器件。（圖片：英飛凌科技）

“如果您使用標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動器，則只有 GaN 才需要提供正電壓和負(fù)電壓，這就是我們更喜歡客戶使用專用驅(qū)動器的原因，”Yee 說。他推薦英飛凌的 1EDF56x3 系列 GaN 柵極驅(qū)動器。

并非所有 SiC 器件都生而平等

大多數(shù) WBG 器件不是 Si MOSFET 或 Si 晶體管的直接替代品。需要很少或不需要額外工程工作的共源共柵型設(shè)備除外。然而，設(shè)計(jì)人員失去了 WBG 半導(dǎo)體的一些優(yōu)勢。

一個例子是 UnitedSiC 的 SiC 產(chǎn)品，它們都采用與硅兼容的封裝。這意味著這些設(shè)備可以直接將它們放入以前使用 IGBT 或 Si 超結(jié) MOSFET 的插座中。

Bhalla 表示，其產(chǎn)品的獨(dú)特之處之一是它制造的基于共源共柵的設(shè)備，其工作方式類似于 MOSFET。這些 SiC FET 包括與共源共柵優(yōu)化的 Si MOSFET 共同封裝的 SiC 快速 JET，以提供采用標(biāo)準(zhǔn)通孔和表面貼裝封裝的標(biāo)準(zhǔn)柵極驅(qū)動 SiC 器件。“我們的共源共柵型器件是一個字面意義上的插入式器件，除了可能的柵極電阻變化之外沒有任何變化，”他說。

此外，這些設(shè)備不需要特殊的驅(qū)動程序；Bhalla 表示，它們與市場上所有主要供應(yīng)商提供的標(biāo)準(zhǔn)硅柵極驅(qū)動器 IC 兼容十年，包括與 SiC MOSFET 和“老派”IGBT 一起使用的舊款。

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

但也有一些缺點(diǎn)，包括不能從 WBG 設(shè)備中獲得最高性能。Bhalla 說：“我們正在銷售采用這些封裝的超高速器件，這些封裝具有很大的電感?！?“當(dāng)你通過這些封裝在電路中放置高壓擺率 (di/dt) 時，它只會加劇快速開關(guān)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(xiàng)正在進(jìn)行的工作?！斑@就是現(xiàn)實(shí)：人們在使用 SiC 的部分好處的同時，仍然從他們的終端系統(tǒng)中獲得一些好處，這種方法既便宜又臟。

“世界上很大一部分仍然是硅，所以對于他們從硅轉(zhuǎn)向碳化硅，我們提供了一個非常好的墊腳石，”他說。

Bhalla 認(rèn)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到一個封裝中的表面貼裝型模塊。“必須這樣做，因?yàn)闆]有它，用戶就無法從中獲得所有好處，也無法進(jìn)入下一個層次，”他說。

例如，UnitedSiC 最近推出了一款采用 TO-247 封裝的7mΩ R DS(ON)、650V器件。（低 R DS(ON)可以實(shí)現(xiàn)更高的效率。）該公司最接近的競爭對手的導(dǎo)通電阻高出 3 倍，但 UnitedSiC 遇到的一個問題是封裝引線實(shí)際上比芯片更熱?！八晕覀儾捎昧艘粋€ 200-A 的設(shè)備并將其降額到 120A，因?yàn)楫?dāng)我們在實(shí)踐中使用這個設(shè)備時，我們看到引線變得比芯片本身更熱，”Bhalla 說。

UnitedSiC通過在熟悉的 TO-247 封裝中結(jié)合第三代 SiC JFET 和共源共柵優(yōu)化的 Si MOSFET，推出了第一款 SiC FET，R DS(on) <10 mΩ，提高了效率并降低了損耗在與 Si IGBT 相同的柵極電壓下。（圖片：UnitedSiC）

氮化鎵的好處

從消費(fèi)電子產(chǎn)品到汽車等各個領(lǐng)域的 OEM 設(shè)計(jì)師都有幾個共同的設(shè)計(jì)要求：他們想要更高的功率密度和更小的電子產(chǎn)品。

Spaziani 說，在更高的頻率下，電源系統(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(chǎn)生的熱量非常少，因此不需要任何散熱器，因此設(shè)計(jì)人員只需移除散熱器即可節(jié)省空間和成本?；蛘咚鼈兛赡鼙３窒嗤念l率以實(shí)現(xiàn)更高的效率。通常，即使效率提高 1%，也足以讓服務(wù)器電源領(lǐng)域的客戶從鉑金級升級到鈦級 [96% 的效率]，他說。

Spaziani 說，這與工程師通常所做的沒有什么不同。無論是使用硅還是其他技術(shù)，他們通常都必須優(yōu)化他們的電路板，但在柵極驅(qū)動方面存在差異。對于 GaN 和 SiC，柵極驅(qū)動行為不同于硅 MOSFET 和硅 IGBT，因此工程師必須問的第一件事是：“我如何驅(qū)動?xùn)艠O？”

過去30年，MOSFETS基本變成了0-12-V的柵極驅(qū)動電路，而GaN要么是–3-6V，要么是0-10V，要么是0-5V；他們都有點(diǎn)不同，Spaziani 說?！暗孟⑹?GaN Systems 現(xiàn)在已經(jīng)走過了 6 年的歷程，我們有大約 12 家主要的半導(dǎo)體公司已經(jīng)創(chuàng)建了驅(qū)動 GaN 的驅(qū)動器，所以現(xiàn)在，這只是一個簡單的應(yīng)用決策?！?/p>

GaN Systems 還提供稱為 EZDrive 的電路，無需分立驅(qū)動器。它將 12V MOSFET 驅(qū)動器轉(zhuǎn)換為具有大約六個組件的 6V GaN 驅(qū)動器?！八娴暮鼙阋?，而且適配器設(shè)計(jì)者喜歡這個電路，”Spaziani 說。“它易于使用、不耗電、體積小，而且無需定制柵極驅(qū)動器。”

揭穿 GaN 神話

GaN 供應(yīng)商認(rèn)為，關(guān)于 GaN 技術(shù)仍然存在一些錯誤或半真半假的神話。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(guān)邊緣，可實(shí)現(xiàn)更高的效率和更高的頻率，但這并不意味著 EMI 更糟。事實(shí)上，供應(yīng)商表示它通常比具有良好布局的硅更好，并且可以產(chǎn)生更小的 EMI 濾波器，從而降低成本。

并行是一個常見的問題。一種誤解是 GaN 只擅長低功率和高頻率。例如，GaN Systems 的客戶以 20 kHz 至 20 MHz 的頻率進(jìn)行切換，并且在高功率下，它們是并聯(lián)設(shè)備。GaN晶體管可以很好地并聯(lián)；只需確保每個晶體管承載的電流量大致相同。例如，如果您將兩個設(shè)備并聯(lián)，并且一個晶體管承載 70% 的電流，則它會磨損得更快，電路也會更快地發(fā)生故障。警告：來自不同 SiC 和 GaN 供應(yīng)商的設(shè)備的并行方式略有不同。

沒有雪崩能力。MOSFET 進(jìn)入雪崩模式以抑制電壓尖峰以保護(hù)電路的其余部分免于故障。GaN 器件制造商解決這個問題的方法是在額定電壓中設(shè)計(jì)大量余量。例如，GaN Systems 的 650V 額定設(shè)備在電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過 1,000V 時才會出現(xiàn)故障。

可靠性和成本不等于硅?？煽啃允峭ㄟ^及時故障 (FIT) 來衡量的。硅已經(jīng)存在了幾十年，并且已被大多數(shù)供應(yīng)商證明是可靠的。但 WBG 半導(dǎo)體并非如此。與任何新技術(shù)一樣，可靠性風(fēng)險增加且成本更高。WBG 器件和硅器件之間的比較很難，因?yàn)楣栊酒目煽啃杂袚?jù)可查，而且多年來的大批量生產(chǎn)降低了成本。

但一些 WBG 供應(yīng)商，如 GaN Systems，表示可靠性 [FIT] 與硅相當(dāng)，價格差距在過去五年中顯著縮小，從貴 3 倍到 5 倍下降到 1.5 倍到 2 倍。

GaN Systems 的器件顯示 FIT 率 <0.1。（圖片：GaN Systems）

審核編輯 黃昊宇