碳化硅和氮化镓的区别

SiC 和 GaN 被称为“宽带隙半导体”(WBG)，因为将这些材料的电子从价带炸开到导带需要能量：而在硅的情况下，这种能量为 1.1eV，它是SiC(碳化硅)为 3.3eV，GaN(氮化镓)为 3.4eV。这导致更高的适用击穿电压，在某些应用中可以达到 1200-1700V。由于使用的生产工艺，WBG 设备显示出以下优点：

极低的内阻，与硅等效器件相比，可将效率提高多达 70%

低电阻提高了热性能(随着最高工作温度的增加)和散热，以及可获得的功率密度

散热优化允许使用更简单的封装，与等效的硅相比，显着减小尺寸和减轻重量

非常短的关断时间(在 GaN 的情况下接近于零)允许使用非常高的开关频率以及达到的较低温度

经典电力电子设备中使用的所有类型的器件都可以使用 WBG 器件制造。此外，经典的硅器件在许多应用领域已经达到了极限。鉴于这些前提，很明显 WBG 技术是电力电子未来的基础，并为各种应用领域的新可能性奠定了基础。

碳化硅和氮化镓的区别

根据应用类型所需的功率和频率性能，每种类型的器件，包括硅器件和新型 WBG，都有其市场份额。

尽管在概念层面上有相似之处，但 SiC 和 GaN 组件不能相互互换，而是根据它们在其中运行的系统中的使用参数而有所不同。

尤其是SiC器件可以 承受更高的电压，高达1200V甚至更高，而GaN器件可以承受更低的电压和功率密度;另一方面，由于 GaN 器件几乎为零的关断时间(高电子迁移率，与 MOSFET Si 的 50V/s 相比，因此 dV/dt 大于 100V/s)，这些可以用于非常高频应用，具有前所未有的效率和性能。这种理想的正特性可能会被证明是不方便的：如果组件的寄生电容不接近于零，则会产生数十安培数量级的电流尖峰，这可能会导致电磁兼容性测试阶段出现问题。

由于采用 TO-247 和 TO-220 的可能性，碳化硅在所使用的封装上具有更多优势，这允许用新的碳化硅快速替换 IGBT 和 MOSFET，而 GaN 用 SMD 封装(更轻、更耐用)提供更好的结果。小但降级到新项目)。

另一方面，这两种器件的共同挑战与栅极驱动器的设计和构造有关，能够充分利用特定组件的特性，注意寄生组件(必须在以避免较弱的性能)和适用电压的水平(希望类似于用于驱动经典硅组件的电压)。

在成本方面，SiC 器件现在更便宜、更受欢迎，这也是因为它们是在 GaN 之前制造的。然而，不难想象，成本只是部分与生产过程和市场需求有关，这就是为什么市场上的价格可能会趋于平缓。

由于 GaN 衬底的生产成本较高，因此使用GaN “通道”的器件具有 Si 衬底。最近几个月，瑞典林雪平大学与其衍生的 SweGaN 大学合作，根据使用 SiC 衬底和新的晶圆生长工艺(称为变形异质外延，可防止结构缺陷的存在)的想法进行了一些研究，从而获得与 SiC 器件相当的最大电压，但能够在 Si 上的 GaN 频率下工作。这项研究还强调了采用这种机制如何能够改进热管理、超过 3kV 的垂直击穿电压以及与当今的解决方案相比小于一个数量级的导通状态电阻。

应用和市场

WBG 设备的应用领域仍然是一个利基市场，研发部门仍然需要更好地了解如何充分发挥其潜力。最大的新技术市场是二极管市场，但预计 WBG 将在未来 5 年内充斥晶体管市场。

可能的应用已经开始被假设，预测显示电动汽车、电信和消费市场是最有可能的。

根据销售预测，最赚钱的市场将是电动汽车和自动驾驶汽车，其中WBG将用于逆变器、车载充电设备(OBC)和防撞系统(LiDAR)，这是显而易见的，鉴于新设备的热特性和效率与优化蓄电池性能的要求相匹配。

在电信方面，5G的作用将成为WBG的驱动力，其将安装的数百万个站点需要更高的能效，并且也将变得更小、更轻，在性能和成本上有显着提升。

消费市场也将涉及新设备的大量使用。由于移动设备的不断普及以及快速充电的需求，无线电源和充电设备将主要受到影响。

碳化硅和氮化镓器件

英飞凌开发了多种 SiC 和 GaN MOSFET 器件及其驱动器，即 CoolSiC 和 CoolGaN 系列。值得注意的是 FF6MR12W2M1_B11 半桥模块，它能够在 1200V 下提供高达 200A 的电流，RDS(on) 电阻仅为 6mΩ。该模块配备两个 SiC MOSFET 和一个 NTC 温度传感器，适用于 UPS 和电机控制应用，注重效率和散热(图 1)。

Microsemi 目录(现为 Microchip Technology)中有一个类似的解决方案，带有 Phase Leg SiC MOSFET 模块，它使用 SP6LI 器件系列，并允许电压高达 1700V 和电流大于 200A;AlN 衬底确保更好的热管理，两个 SiC 肖特基二极管允许增加开关频率。

Wolfspeed 凭借其 CAB450M12XM3 与市场保持同步，该半桥器件能够管理高达 1200V 的电压和 450A 的电流，由于使用了具有 SiN 衬底的第三代 MOSFET，因此适合在高达 175°C 的温度下连续工作.

在查看 GaN 世界时，很明显可用的各种设备是有限的。GanSystem 在其产品目录中提供了 GS-065-150-1-D，这是一种利用专利岛技术的晶体管，能够在大于 10MHz 的开关频率下管理高达 650V 和 150A 的电压。

最后，凭借将于 2020 年中期面世的 TP90H050WS FET，Transphorm 正在开发使用 TO-247 封装的 GaN 器件，其工作电压可达到 900V，上升和下降时间约为 10nS(图 2)。

图 1：FF6MR12W2M1_B11 半桥模块

图 2：TP90H050WS FET

审核编辑：汤梓红