第三代寬禁帶功率半導(dǎo)體的應(yīng)用

本文介紹第三代寬禁帶功率半導(dǎo)體的應(yīng)用 在電動(dòng)汽車(chē)的核心部件中，車(chē)用功率模塊（當(dāng)前主流技術(shù)為IGBT）占據(jù)著舉足輕重的地位，它不僅決定了電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵性能，還占據(jù)了電機(jī)逆變器成本的40%以上。鑒于SiC（碳化硅）相較于傳統(tǒng)Si（硅）材料的顯著優(yōu)勢(shì)，SiC模塊已在汽車(chē)行業(yè)率先得到了應(yīng)用嘗試與廣泛推廣。電動(dòng)汽車(chē)就采用了SiC模塊，其實(shí)物圖分別如圖1和圖2所示。

圖1 車(chē)用SiC模塊

圖2 車(chē)用SiC模塊 新能源汽車(chē)領(lǐng)域正成為SiC功率器件及模塊全力滲透的重要陣地。SiC MOS并聯(lián)方案、三相全橋電控模塊，以及各大半導(dǎo)體廠商正在積極布局的汽車(chē)級(jí)SiC MOS模塊，都充分展示了SiC材料的巨大潛力。SiC材料的高功率、高頻率以及高功率密度等特性，使得電控系統(tǒng)的體積得以大幅縮減。SiC材料卓越的高溫特性也使其在新能源汽車(chē)領(lǐng)域備受矚目，得到了廣泛的重視與蓬勃發(fā)展。 SiC SBD（肖特基二極管）和SiC MOS是目前最為常見(jiàn)的SiC基器件。盡管IGBT結(jié)合了MOS和BJT的優(yōu)點(diǎn)，且SiC作為第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料具有優(yōu)于傳統(tǒng)Si的綜合性能，但我們似乎只聽(tīng)到了SiC MOS的消息，卻鮮有SiC IGBT的動(dòng)靜。這主要是因?yàn)?，盡管SiC具有諸多優(yōu)勢(shì)，但目前Si基IGBT仍占據(jù)市場(chǎng)主導(dǎo)地位。隨著第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料的崛起，關(guān)于SiC的器件及模塊陸續(xù)出現(xiàn)，并嘗試取代IGBT應(yīng)用到相關(guān)行業(yè)。實(shí)際上SiC并未完全取代IGBT，其主要原因就在于成本這一關(guān)鍵因素。就SiC功率器件而言，其成本大約是Si的6至9倍。目前主流的SiC晶圓尺寸為6英寸，且需要先制造Si襯底，晶圓缺陷率較高，因此相對(duì)而言其成本就比較高，在價(jià)格上并沒(méi)有太大的優(yōu)勢(shì)。所以，盡管有人嘗試開(kāi)發(fā)了SiC IGBT，但在大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合中，其價(jià)格并不會(huì)得到市場(chǎng)的青睞。在一些成本為主要考量因素的行業(yè)中，技術(shù)優(yōu)勢(shì)往往不如成本優(yōu)勢(shì)來(lái)得重要。當(dāng)然，在一些對(duì)成本不太敏感的行業(yè)，如汽車(chē)行業(yè)，目前也僅僅是開(kāi)發(fā)了SiC MOS的應(yīng)用。不過(guò)，SiC MOS的某些性能確實(shí)比Si IGBT更具優(yōu)勢(shì)。在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，兩者將會(huì)共存使用。但由于成本因素的考量，目前并沒(méi)有開(kāi)發(fā)更高性能的SiC IGBT的市場(chǎng)動(dòng)力和技術(shù)需求。

肖特基二極管 未來(lái)，SiC IGBT最有可能首先在電力電子變壓器（PET）領(lǐng)域得到應(yīng)用。在電力轉(zhuǎn)換技術(shù)領(lǐng)域，電力電子變壓器（PET）在智能電網(wǎng)構(gòu)建、能源互聯(lián)網(wǎng)整合、分布式可再生能源并網(wǎng)以及電力機(jī)車(chē)牽引逆變器等中高壓應(yīng)用場(chǎng)景中發(fā)揮著舉足輕重的作用。PET以其卓越的可調(diào)控性、高度的系統(tǒng)兼容性和優(yōu)異的電能質(zhì)量表現(xiàn)，贏得了廣泛的認(rèn)可。然而，傳統(tǒng)PET技術(shù)仍面臨轉(zhuǎn)換效率低下、功率密度提升難、成本高昂及可靠性不足等挑戰(zhàn)。這些難題很大程度上源于功率半導(dǎo)體器件的耐壓能力限制，導(dǎo)致在高壓應(yīng)用中（如接近或超過(guò)10kV）需要采用復(fù)雜的多級(jí)串聯(lián)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而增加了功率組件、儲(chǔ)能元件及電感等部件的數(shù)量和整體復(fù)雜度。 為了克服上述障礙，業(yè)界正積極探索采用高性能半導(dǎo)體材料——碳化硅（SiC）絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）。SiC作為第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料，憑借極高的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度、寬廣的禁帶間隙、快速的電子飽和遷移速率以及出色的熱傳導(dǎo)性能，成為滿足高壓、高頻、大功率應(yīng)用需求的理想之選。SiC IGBT憑借其卓越的導(dǎo)通特性、超快的開(kāi)關(guān)速度以及寬泛的安全工作區(qū)域，在電力電子領(lǐng)域的中高壓范圍內(nèi)（包括但不限于10kV及以下）展現(xiàn)出了非凡的性能。

GaN的應(yīng)用

氮化鎵（GaN）作為另一類(lèi)重要的第三代半導(dǎo)體材料，也在電力電子領(lǐng)域有很多的應(yīng)用。GaN的性能指標(biāo)，如禁帶寬度、電子遷移速率、擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度以及最高工作溫度，均顯著優(yōu)于傳統(tǒng)的硅（Si）和砷化鎵（GaAs）材料，為電力電子器件和射頻器件的創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。相較于SiC，GaN在成本控制和規(guī)模化生產(chǎn)方面展現(xiàn)出更大的優(yōu)勢(shì)，盡管其耐壓能力稍遜一籌，但開(kāi)關(guān)速度卻更為迅猛。當(dāng)GaN與SiC襯底結(jié)合使用時(shí)，可以兼顧大功率處理能力和高頻操作特性，進(jìn)一步拓寬了其應(yīng)用范圍。 GaN材料的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，從LED照明到電力電子設(shè)備，再到射頻通信，都有其身影。特別是在5G通信網(wǎng)絡(luò)和雷達(dá)系統(tǒng)中，GaN基射頻器件已成為不可或缺的關(guān)鍵組件。在電力電子設(shè)備領(lǐng)域，GaN材料通過(guò)實(shí)現(xiàn)體積和重量的顯著減少，有效解決了高功率密度與小型化設(shè)計(jì)的矛盾。因此，GaN現(xiàn)在已經(jīng)成為輕薄型筆記本電腦和快速充電手機(jī)等消費(fèi)電子產(chǎn)品中的首選材料。展望未來(lái)，GaN有望在多個(gè)領(lǐng)域逐步取代硅材料，其中，快速充電技術(shù)將是其率先實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商用的重要領(lǐng)域。在600V左右的電壓等級(jí)下，GaN在芯片面積、電路效率以及開(kāi)關(guān)頻率等方面相較于硅材料展現(xiàn)出了顯著的優(yōu)勢(shì)。 以GaNFast電源集成電路為例，該集成電路將驅(qū)動(dòng)器與邏輯電路融為一體，采用650V硅基GaN FET，并以QFN封裝形式提供，支持高達(dá)10MHz的開(kāi)關(guān)頻率，從而實(shí)現(xiàn)了無(wú)源元件的小型化和輕量化。此外，通過(guò)集成技術(shù)減少寄生電感，顯著提升了開(kāi)關(guān)速度。這一技術(shù)突破為充電器和電源適配器的小型化、輕量化以及高效化設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)有力的支持。

在器件層面，GaN半導(dǎo)體針對(duì)不同電壓等級(jí)的市場(chǎng)需求進(jìn)行了優(yōu)化。在低壓段（如15V至數(shù)百伏），GaN與功率MOSFET等器件展開(kāi)競(jìng)爭(zhēng)；而在中高壓段（如600V、650V乃至900V以上），GaN則與硅基IGBT、MOSFET及SiC器件等展開(kāi)角逐。針對(duì)不同市場(chǎng)的應(yīng)用需求，GaN技術(shù)不斷演進(jìn)，以適應(yīng)更廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，包括電源適配器、汽車(chē)電源系統(tǒng)等。特別是900V電壓等級(jí)的GaN器件，在電動(dòng)汽車(chē)、電池充電器、不間斷電源以及太陽(yáng)能發(fā)電等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。與SiC相似，GaN也在積極探索電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域的應(yīng)用機(jī)會(huì)，致力于推動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)的革新與發(fā)展。