使用 WBG 半導(dǎo)體進(jìn)行設(shè)計(jì)需要一些額外的專業(yè)知識(shí)

作者：Gina Roos，主編?

硅 (Si) 基半導(dǎo)體比寬帶隙 (WBG) 半導(dǎo)體領(lǐng)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(chǎng)份額。給芯片供應(yīng)商。盡管離成熟的技術(shù)還很遠(yuǎn)，但 WBG 半導(dǎo)體由于其優(yōu)于硅的性能優(yōu)勢(shì)（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(jìn)軍。

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(shí)和幾個(gè)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(dòng)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(gè)參數(shù)，就會(huì)指導(dǎo)他們使用哪種開關(guān)技術(shù)。（圖片：英飛凌科技）

為什么要轉(zhuǎn)投WBG？這一切都始于基于設(shè)計(jì)目標(biāo)從 Si 轉(zhuǎn)向 SiC 或 GaN 功率器件的決定。

Infineon Technologies AG 功率分立技術(shù)營銷工程師 Bob Yee 表示，無論是使用硅還是切換到 SiC 或 GaN，設(shè)計(jì)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(chǎn)品組合涉足 SiC 和 GaN 市場(chǎng)，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。“一旦你確定了這些目標(biāo)，這將決定技術(shù)的類型以及成本點(diǎn)在哪里。”

對(duì)功率半導(dǎo)體器件不斷增長的需求正在推動(dòng)寬帶隙半導(dǎo)體市場(chǎng)。主要參與者一直在投資開發(fā)和大規(guī)模生產(chǎn)用于 SiC 和 GaN 的材料和晶圓。WBG市場(chǎng)將走向何方？誰是統(tǒng)治者？他們?nèi)绾谓鉀Q數(shù)十年來成本高、數(shù)量有限和供應(yīng)鏈?zhǔn)芟薜膯栴}？這個(gè) EE Times 特別項(xiàng)目將揭示 WBG 半導(dǎo)體市場(chǎng)的技術(shù)、應(yīng)用和動(dòng)態(tài)。

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

“設(shè)計(jì)師必須了解他們的密度需求是什么，這最終將決定效率，因?yàn)樵谛〕叽缰猩岬目臻g更少，”他補(bǔ)充道?！斑@意味著需要更高的效率，推動(dòng)設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)了更高的效率和更小的尺寸，但在某一點(diǎn)上，WBG 半導(dǎo)體可以提供更好的效率。Yee 舉了一個(gè) 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?！斑@就是你從硅分離到使用 WBG 技術(shù)的神奇路線，”他說?！叭绻こ處熢O(shè)計(jì)的比例高達(dá) 94%，那么它已經(jīng)被硅覆蓋了，沒有理由去 WBG 并支付更多費(fèi)用。但是，如果您想實(shí)現(xiàn) 96% 的效率，除了使用 WBG 之外別無選擇，這歸結(jié)為除了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之外，開關(guān)本身的特性上的寄生損耗。

“如果你想實(shí)現(xiàn) 96% 的效率，你需要一種利用 GaN 或 SiC 的新拓?fù)?，”他補(bǔ)充道。

一個(gè)很好的例子是使用功率因數(shù)校正 (PFC) 拓?fù)?。如果設(shè)計(jì)人員查看開關(guān)技術(shù)如何針對(duì)特定拓?fù)溥M(jìn)行優(yōu)化——例如，利用 WBG 的圖騰柱 PFC——它會(huì)提高性能，Yee 說，“這就是為什么無橋圖騰柱 PFC 確實(shí)是一個(gè)灌籃為世界銀行集團(tuán)。”

設(shè)計(jì)人員需要通過查看開關(guān)技術(shù)如何針對(duì)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(píng)估 WBG 設(shè)備。（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)以實(shí)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(shù)挑戰(zhàn)的地方。當(dāng)以更高的頻率進(jìn)行開關(guān)時(shí)，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)小于硅等效器件，這意味著 EMI 很容易升高，因?yàn)樗且粋€(gè)更快的開關(guān)。Yee 表示，當(dāng)您針對(duì)高頻進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，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 肖特基二極管的制造商 UnitedSiC 的工程副總裁 Anup Bhalla 對(duì)此表示同意?！癊MI 問題變得更加嚴(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(shì)時(shí)，這實(shí)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。”

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(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。

“電路電源側(cè)的這些快速電壓變化很容易影響電路的信號(hào)側(cè)，因?yàn)樗梢栽谀悴恢赖那闆r下在這里或那里發(fā)送一點(diǎn)電壓尖峰，”他說?！八赡軙?huì)在錯(cuò)誤的時(shí)間觸發(fā)柵極驅(qū)動(dòng)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(jìn)行大量的工程工作才能達(dá)到目標(biāo)，而且他們中的許多人在過去的四五年中實(shí)現(xiàn)了這一飛躍?！?/p>

優(yōu)化布局布局可能是一個(gè)挑戰(zhàn)；Yee 說，最大的障礙是司機(jī)和登機(jī)口之間?！霸O(shè)計(jì)師需要注意三個(gè)終端。它是驅(qū)動(dòng)器輸出到柵極輸入，無論是 SiC 還是 GaN，以及驅(qū)動(dòng)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。“如果他們不注意這一點(diǎn)，他們就會(huì)制造出會(huì)發(fā)射輻射的收音機(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 Kelvin 源功能的 WBG 器件。

布局也影響高功率應(yīng)用的并聯(lián)。Bhalla 說，并行相當(dāng)簡單?！斑@是相同的一般物理特性——你必須保持布局對(duì)稱和平衡。我們必須保持零件之間的參數(shù)分布相對(duì)緊湊，以便所有零件看起來大致相同，以便它們?nèi)菀灼叫小?/p>

“設(shè)計(jì)師喜歡采用這些快速部件并將它們并聯(lián)起來，就像他們?cè)谶^去并聯(lián) IGBT 一樣，”他補(bǔ)充道。“這很困難，因?yàn)?IGBT 的速度要慢得多，因此它們更容易并聯(lián)。當(dāng)您嘗試同時(shí)以 10 倍的速度并行和切換時(shí)，您必須在布局方面做更多的工作。

“你必須小心，至少要進(jìn)行一半體面的布局，以使并行設(shè)備之間的所有當(dāng)前路徑看起來大致相同。你不能讓一個(gè)設(shè)備的電感只有另一個(gè)設(shè)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(shí)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(gè)演示板?！拔覀兎浅Ｐ⌒牡卮_保當(dāng)您并行使用這些設(shè)備時(shí)，用于驅(qū)動(dòng)?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(dòng)電路是一個(gè)小環(huán)路，然后有一個(gè)強(qiáng)大的大環(huán)路驅(qū)動(dòng)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(huì)知道并行會(huì)變得更好、更容易?！?/p>

使用 GaN 器件時(shí)也是如此?！肮こ處煴仨毐纫郧案玫亓私獠季?，因?yàn)?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(huì)遇到性能或 EMI 甚至故障模式的問題。

“GaN 不會(huì)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(duì)了，”他補(bǔ)充道。

Yee 解釋說，對(duì) SiC 進(jìn)行微調(diào)SiC 可以用作 Si IGBT 或 Si MOSFET 的性能替代品，部分原因是驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)非常相似——它是一個(gè)常關(guān)部件并使用標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)器，但存在細(xì)微差別。

使用 Si MOSFET，驅(qū)動(dòng)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(shè)計(jì)人員在從 Si 遷移到碳化硅，Yee 解釋說。

但是，使用GaN，驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)就完全不同了；他補(bǔ)充說，它與 IGBT 或 MOSFET 不同?！澳仨毷褂镁哂刑囟ㄩ_啟和關(guān)閉時(shí)間的特定驅(qū)動(dòng)程序。因此，設(shè)計(jì)人員確實(shí)需要注意驅(qū)動(dòng)方案，不僅是時(shí)序，而且如果他們要并聯(lián) GaN FET，他們必須在驅(qū)動(dòng)器和 GaN FET 之間實(shí)現(xiàn)完美的對(duì)稱布局?！?/p>

需要注意的是，只要 GaN 支持柵極驅(qū)動(dòng)電壓和 UVLO，設(shè)計(jì)人員就可以使用標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)器，但同樣需要對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整。大多數(shù)供應(yīng)商建議使用新一代柵極驅(qū)動(dòng)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(dòng)器相比，使用標(biāo)準(zhǔn)柵極驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng) GaN 器件需要添加負(fù)電壓電源以安全地打開和關(guān)閉器件。（圖片：英飛凌科技）

“如果您使用標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)器，您必須為 GaN 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(dòng)器的原因，”Yee 說。他推薦英飛凌的 1EDF56x3 系列 GaN 柵極驅(qū)動(dòng)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(gè)例外是級(jí)聯(lián)型設(shè)備，幾乎不需要額外的工程工作。然而，設(shè)計(jì)人員失去了 WBG 半導(dǎo)體的一些優(yōu)勢(shì)。

一個(gè)例子是 UnitedSiC 的 SiC 產(chǎn)品，這些產(chǎn)品都采用硅兼容封裝。這意味著這些設(shè)備實(shí)際上可以將它們放入以前使用 IGBT 或 Si 超結(jié) MOSFET 的插座中。

Bhalla 說，其產(chǎn)品的獨(dú)特之處之一是它制造了像 MOSFET 一樣工作的基于級(jí)聯(lián)的器件。這些 SiC FET 包括與級(jí)聯(lián)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(dòng) SiC 器件?！拔覀兊募?jí)聯(lián)型器件是一個(gè)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(shè)備不需要特殊的驅(qū)動(dòng)程序；Bhalla 說，它們與所有主要供應(yīng)商已投放市場(chǎng)十年的標(biāo)準(zhǔn)硅柵極驅(qū)動(dòng)器 IC 兼容，包括與 SiC MOSFET 和“老式”IGBT 一起使用的舊產(chǎn)品。

他補(bǔ)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(qū)動(dòng)器。“它們更貴，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(dòng)程序兼容。”

但也有一些缺點(diǎn)，包括無法從 WBG 設(shè)備中獲得最高性能?！拔覀?cè)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。“當(dāng)你通過這些封裝在電路中設(shè)置高轉(zhuǎn)換率 (di/dt) 時(shí)，它只會(huì)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)：人們正在使用 SiC 的部分優(yōu)勢(shì)，并且仍然在他們的終端系統(tǒng)中以廉價(jià)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(duì)于他們從硅轉(zhuǎn)向碳化硅來說，我們提供了一個(gè)非常好的墊腳石，”他說。

Bhalla 認(rèn)為，到明年，將會(huì)有很多頂部冷卻的表面貼裝封裝，甚至是將整個(gè)半橋集成在一個(gè)封裝中的表面貼裝型模塊。“它必須完成，因?yàn)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(jìn)入下一個(gè)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(shí)現(xiàn)更高的效率。）該公司最接近的競爭對(duì)手的導(dǎo)通電阻高出 3 倍，但 UnitedSiC 遇到的一個(gè)問題是封裝引線實(shí)際上比芯片更熱?！八晕覀儾捎昧艘粋€(gè) 200-A 的設(shè)備并將其降額到 120 A，因?yàn)楫?dāng)我們?cè)趯?shí)踐中使用這個(gè)設(shè)備時(shí)，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(jié)合第三代 SiC JFET 和級(jí)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(fèi)類電子產(chǎn)品到汽車領(lǐng)域的 OEM 設(shè)計(jì)人員有幾個(gè)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(chǎn)生的熱量非常少，因此它不需要任何熱量散熱器，因此設(shè)計(jì)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?huì)保持相同的頻率以實(shí)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(wù)器電源領(lǐng)域的客戶從鉑金級(jí)提升到鈦金級(jí) [96% 效率]。

Spaziani 說，這與工程師通常會(huì)做的事情沒有什么不同。無論他們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，但柵極驅(qū)動(dòng)有所不同。對(duì)于 GaN 和 SiC，柵極驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)?xùn)艠O？”

在過去的 30 年里，MOSFET 基本上變成了 0 到 12 V 的柵極驅(qū)動(dòng)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(diǎn)不同。“但好消息是，GaN Systems 現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)入了六年的旅程，我們有大約十二家主要的半導(dǎo)體公司已經(jīng)創(chuàng)造了驅(qū)動(dòng) GaN 的驅(qū)動(dòng)力，所以現(xiàn)在，這只是一個(gè)簡單的應(yīng)用決策?！?/p>

GaN Systems 還提供了一種稱為 EZDrive 的電路，它消除了對(duì)分立驅(qū)動(dòng)器的需求。它將 12V MOSFET 驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)換為具有大約六個(gè)組件的 6V GaN 驅(qū)動(dòng)器?！八娴暮鼙阋耍疫m配器設(shè)計(jì)師喜歡這種電路，”Spaziani 說?！八子谑褂?、不耗電、體積小，而且他們不必定制柵極驅(qū)動(dòng)器?！?/p>

揭穿 GaN 神話GaN 供應(yīng)商認(rèn)為仍然存在一些關(guān)于 GaN 技術(shù)的神話，要么是錯(cuò)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(guān)邊沿，可實(shí)現(xiàn)更高的效率和更高的頻率，但這并不意味著 EMI 更差。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(gè)常見的問題。一個(gè)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(shè)備。GaN晶體管可以很好地并聯(lián)；只需確保每個(gè)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(gè)設(shè)備，一個(gè)晶體管承載 70% 的電流，它會(huì)更快磨損，電路也會(huì)更快失效。警告：來自不同 SiC 和 GaN 供應(yīng)商的器件的平行度略有不同。

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(shè)計(jì)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(huì)出現(xiàn)故障。

可靠性和成本不等于硅?？煽啃允峭ㄟ^時(shí)間故障 (FIT) 來衡量的。硅已經(jīng)存在了幾十年，并且被大多數(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(xiǎn)也會(huì)增加，成本也會(huì)更高。WBG 設(shè)備和硅設(shè)備之間的比較是一個(gè)艱難的比較，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(jià)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。