工程師對(duì)電磁干擾，并行化和布局非常熟悉，但是當(dāng)從基于硅的芯片過(guò)渡到碳化硅或?qū)拵镀骷r(shí)，需要多加注意。

芯片顯示，基于硅（Si）的半導(dǎo)體比寬帶隙（WBG）半導(dǎo)體具有十多年的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，主要是碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）占有約90％至98％的市場(chǎng)份額。供應(yīng)商。WBG半導(dǎo)體雖然還不是成熟的技術(shù)，但由于其優(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)體來(lái)獲得最佳設(shè)計(jì)需要更多的專業(yè)知識(shí)和仔細(xì)考慮的幾個(gè)方面，包括開關(guān)拓?fù)洌姶鸥蓴_（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(wèn)題也很重要。

在可以使用Si，SiC和GaN的重疊應(yīng)用中，選擇取決于密度，效率和成本，一旦設(shè)計(jì)人員了解了這三個(gè)參數(shù)，它將指導(dǎo)他們使用哪種開關(guān)技術(shù)。（圖片：英飛凌科技公司）

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Si的功率器件轉(zhuǎn)變?yōu)榛赟iC或GaN的功率器件。

英飛凌科技股份公司功率離散技術(shù)營(yíng)銷工程師Bob Yee認(rèn)為，設(shè)計(jì)人員必須檢查三個(gè)因素-成本，效率和密度-他們是使用硅還是使用SiC或GaN。據(jù)記錄，英飛凌憑借其CoolSiC和CoolGaN產(chǎn)品組合在SiC和GaN市場(chǎng)中均占有一席之地，并且還提供Si MOSFET和IGBT。

Yee說(shuō)，成本的單位是美元/瓦，效率的單位是輸入/輸出的百分比，密度的單位是瓦特/立方英寸。“一旦確定了這些目標(biāo)，那將決定技術(shù)的類型以及成本點(diǎn)在哪里。”

Yee表示，尺寸和重量對(duì)于了解您使用硅還是WBG至關(guān)重要，他舉例說(shuō)說(shuō)了一個(gè)小尺寸適配器設(shè)計(jì)的示例，該適配器設(shè)計(jì)可能會(huì)在Si MOSFET上使用GaN晶體管（HEMT）。原因？GaN較高的開關(guān)頻率使設(shè)計(jì)人員可以縮小磁性材料的尺寸，這占電源尺寸的很大一部分。

他補(bǔ)充說(shuō)：“設(shè)計(jì)人員必須了解他們的密度需求，這最終將決定效率，因?yàn)橐暂^小的尺寸散熱的空間較小。”“這意味著效率需要更高，這迫使設(shè)計(jì)人員使用WBG。”

魔術(shù)線

在過(guò)去的幾十年中，基于硅的解決方案已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了更高的效率和更小的尺寸，但是在某種程度上，WBG半導(dǎo)體提供了更高的效率。Yee舉了一個(gè)100 W電源的示例-100 W輸入和94 W輸出，這意味著6％的損耗或94％的效率。他說(shuō)：“這是一條神奇的路線，您可以將其與硅隔離開來(lái)并使用WBG技術(shù)。”“如果工程師的設(shè)計(jì)比例最高可達(dá)到94％，那么它就可以很好地覆蓋硅，因此沒(méi)有理由去WBG并支付更多的費(fèi)用。但是，如果您要實(shí)現(xiàn)96％的效率，則除了使用WBG之外，實(shí)際上別無(wú)選擇，除了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之外，這還歸結(jié)于開關(guān)本身的特性上的寄生損耗。

Yee補(bǔ)充說(shuō)：“如果要實(shí)現(xiàn)96％的效率，則需要一種利用GaN或SiC的新拓?fù)洹！?/p>

一個(gè)很好的例子是使用功率因數(shù)校正（PFC）拓?fù)洹ee表示，如果設(shè)計(jì)人員研究如何針對(duì)特定拓?fù)鋬?yōu)化開關(guān)技術(shù)（例如利用WBG的圖騰柱PFC），它將提高性能，這就是無(wú)橋圖騰柱PFC確實(shí)是灌籃的原因。 WBG。”

設(shè)計(jì)人員需要通過(guò)查看如何針對(duì)特定拓?fù)鋬?yōu)化開關(guān)技術(shù)以實(shí)現(xiàn)最大性能改進(jìn)來(lái)評(píng)估WBG設(shè)備。（圖片：英飛凌科技公司）

挑戰(zhàn)性

設(shè)計(jì)人員可以優(yōu)化設(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)小于硅等效效應(yīng)，這意味著EMI易于提高，因?yàn)樗拈_關(guān)速度快得多。Yee說(shuō)，當(dāng)您針對(duì)高頻進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，您需要注意EMI，并且還要考慮其他開關(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（VP）Anup Bhalla對(duì)此表示同意。“ EMI問(wèn)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)際上意味著一切都會(huì)變小，而變小的唯一方法是開關(guān)速度更快。這使您可以將變壓器，電感器，散熱器和其他東西縮小很多。”

Bhalla說(shuō)，更快的開關(guān)速度也意味著您正在以高的電壓和電流變化率運(yùn)行，這可能會(huì)導(dǎo)致較大的電壓過(guò)沖和EMI問(wèn)題，因此布局變得更具挑戰(zhàn)性。

他說(shuō)：“電路電源端的這些快速電壓變化很容易影響電路的信號(hào)端，因?yàn)樗梢栽谀恢挥X(jué)中在此處或那里發(fā)出一個(gè)很小的電壓尖峰，”他說(shuō)。“這可能會(huì)在錯(cuò)誤的時(shí)間觸發(fā)柵極驅(qū)動(dòng)器并炸毀所有東西，因此您在布局時(shí)必須格外小心。通常，（客戶）需要付出大量的工程努力才能達(dá)到目標(biāo)，并且在過(guò)去的四到五年中，很多人都取得了這一飛躍。”

優(yōu)化布局

布局可能是一個(gè)挑戰(zhàn)。Yee說(shuō)最大的障礙是在駕駛員和登機(jī)口之間。設(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(wú)論是iw56的SiC還是GaN，以及驅(qū)動(dòng)器源極與WBG器件源極的接地連接。”

Yee說(shuō)，他們需要最小化的第一件事是環(huán)路電感，因?yàn)閃BG部件的切換速度如此之快。“如果他們不注意這一點(diǎn)，他們將制造出可以發(fā)射輻射的無(wú)線電。”因此，對(duì)于這些連接需要特別注意。為了減輕挑戰(zhàn)，英飛凌建議使用具有開爾文源功能的WBG器件。

布局還會(huì)影響大功率應(yīng)用的并聯(lián)。Bhalla說(shuō)，并行化非常簡(jiǎn)單。“這是相同的一般物理原理-您必須保持布局對(duì)稱且平衡。我們必須使零件之間的參數(shù)分布保持相對(duì)緊密，以使所有零件看起來(lái)都相同，因此它們很容易平行。

他補(bǔ)充說(shuō)：“設(shè)計(jì)人員喜歡采用這些快速零件并對(duì)其進(jìn)行并聯(lián)，就像它們過(guò)去與IGBT并聯(lián)一樣。”“這很困難，因?yàn)镮GBT慢得多，因此并聯(lián)起來(lái)也容易一些。當(dāng)您嘗試同時(shí)并行并更快地切換10倍時(shí)，您在布局方面必須做更多的工作。

“您必須至少小心進(jìn)行一半的布局，以使并行設(shè)備之間的所有當(dāng)前路徑看起來(lái)都差不多。您不能讓一個(gè)器件的電感是另一器件的五分之一，然后再期望它們并聯(lián)。那樣不行。”

Bhalla說(shuō)，有時(shí)向工程師展示如何解決布局和并行化難題的最簡(jiǎn)單方法是給他們一個(gè)演示板。“我們非常謹(jǐn)慎，以確保當(dāng)您并行使用這些設(shè)備時(shí)，用于驅(qū)動(dòng)門的環(huán)路必須與路由所有功率/電流的環(huán)路保持解耦。柵極驅(qū)動(dòng)電路是一個(gè)很小的環(huán)路，然后有一個(gè)強(qiáng)大的強(qiáng)大環(huán)路來(lái)驅(qū)動(dòng)所有功率/電流，因此您希望最小化這兩件事之間的耦合。如果這樣做的話，您就會(huì)知道并行化會(huì)變得越來(lái)越容易。”

使用GaN器件時(shí)也是如此。GaN HEMT / E-HEMT器件專家GaN Systems銷售和市場(chǎng)副總裁（VP）Larry Spaziani表示：“由于GAN速度很快，工程師們必須比以往更加了解布局。”“如果沒(méi)有正確的布局，則可能會(huì)遇到性能，EMI甚至故障模式的問(wèn)題。

他補(bǔ)充說(shuō)：“ GaN不會(huì)改變布局規(guī)則，但是一切都變得更小，更緊密，更緊湊，因此您必須確保正確執(zhí)行。”

SiC的細(xì)微調(diào)整

Yee解釋說(shuō)，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-它是通常不使用的部件，并使用標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)器，但存在細(xì)微差別。

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

但是，使用GaN時(shí)，驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)完全不同。他補(bǔ)充說(shuō)，它與IGBT或MOSFET不同。”您必須使用具有特定開啟和關(guān)閉時(shí)間的特定驅(qū)動(dòng)器。因此，設(shè)計(jì)人員確實(shí)確實(shí)需要注意驅(qū)動(dòng)方案，不僅要考慮時(shí)序，而且如果要使用并聯(lián)的GaN FET，則驅(qū)動(dòng)器和GaN FET之間必須具有完美的對(duì)稱布局。”

需要注意的重要一點(diǎn)是，設(shè)計(jì)人員可以使用標(biāo)準(zhǔn)的GaN驅(qū)動(dòng)器，只要它支持柵極驅(qū)動(dòng)電壓和UVLO，但是同樣，它需要進(jìn)行設(shè)計(jì)上的調(diào)整。大多數(shù)供應(yīng)商建議使用新一代的柵極驅(qū)動(dòng)器，以能夠以最快的開關(guān)速度進(jìn)行切換，從而獲得最高的性能。

與專用的GaN驅(qū)動(dòng)器相比，使用標(biāo)準(zhǔn)的柵極驅(qū)動(dòng)器來(lái)驅(qū)動(dòng)GaN器件需要增加一個(gè)負(fù)電壓電源，以安全地開啟和關(guān)閉該器件。（圖片：英飛凌科技公司）

“只有使用GaN驅(qū)動(dòng)器，您才需要提供正負(fù)電壓，這就是為什么我們希望客戶使用專用驅(qū)動(dòng)器的原因，” Yee說(shuō)。他推薦英飛凌的1EDF56x3系列GaN柵極驅(qū)動(dòng)器。

并非所有的SiC器件都是相同的

大多數(shù)WBG器件不是Si MOSFET或Si晶體管的直接替代品。級(jí)聯(lián)類型的設(shè)備是一個(gè)例外，它幾乎不需要或不需要額外的工程工作。但是，設(shè)計(jì)人員失去了WBG半導(dǎo)體的某些優(yōu)勢(shì)。

一個(gè)例子是UnitedSiC的SiC產(chǎn)品，這些產(chǎn)品全部封裝在與硅兼容的封裝中。這意味著這些器件可以從字面上將它們放入先前使用的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，它生產(chǎn)的工作原理類似于MOSFET的基于共源共柵的器件。這些SiC FET包括與cascode優(yōu)化的Si MOSFET共同封裝的SiC快速JET，以提供封裝在標(biāo)準(zhǔn)通孔和表面貼裝封裝中的標(biāo)準(zhǔn)柵極驅(qū)動(dòng)SiC器件。他說(shuō)：“我們的共源共柵型器件是字面上的插件，除了柵極電阻變化以外，沒(méi)有任何其他變化。”

另外，這些設(shè)備不需要特殊的驅(qū)動(dòng)程序。Bhalla說(shuō)，它們與所有主要供應(yīng)商（包括用于SiC MOSFET和“老式” IGBT的較舊供應(yīng)商）在市場(chǎng)上已有十年之久的標(biāo)準(zhǔn)硅柵極驅(qū)動(dòng)器IC兼容。

他補(bǔ)充說(shuō)，在過(guò)去的兩年中，已經(jīng)開發(fā)出許多專門針對(duì)SiC的良好柵極驅(qū)動(dòng)器。“它們更昂貴，但是人們已經(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。”

但是存在一些缺點(diǎn)，包括無(wú)法從WBG設(shè)備中獲得最高性能。Bhalla說(shuō)：“我們正在出售這些封裝中具有很大電感的超快器件。”“當(dāng)您通過(guò)這些封裝在電路中施加高壓擺率（di / dt）時(shí)，只會(huì)加劇所有快速開關(guān)的問(wèn)題-更大的過(guò)沖，更大的振蕩等。”

Bhalla表示，向更好的包裝過(guò)渡的工作正在進(jìn)行中。“這是現(xiàn)實(shí)：人們正在使用SiC的部分好處，并且在其最終系統(tǒng)中仍能以便宜又臟的方式獲得一些好處。

他說(shuō)：“世界上仍有很大一部分仍在硅中，因此對(duì)于他們從硅向碳化硅的轉(zhuǎn)變，我們提供了非常好的墊腳石。”

Bhalla認(rèn)為，到明年，將會(huì)有很多頂側(cè)冷卻的表面貼裝封裝，甚至是表面貼裝型模塊，它們會(huì)將整個(gè)半橋集成到一個(gè)封裝中。他說(shuō)：“這是必須做的，因?yàn)闆](méi)有它，用戶將無(wú)法從中獲得所有收益，也無(wú)法邁向新的高度。”

例如，UnitedSiC最近推出了采用TO-247封裝的7mΩRDS（ON），650V器件。（較低的RDS（ON）可以實(shí)現(xiàn)更高的效率。）該公司最接近的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的ON電阻高3倍，但是UnitedSiC遇到的一個(gè)問(wèn)題是封裝引線實(shí)際上比芯片更熱。“因此，我們采用了200A的設(shè)備并將其降額為120A，因?yàn)樵趯?shí)踐中使用該設(shè)備時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)引線比芯片本身更熱，” Bhalla說(shuō)。

通過(guò)在熟悉的TO-247封裝中結(jié)合使用第三代SiC JFET和經(jīng)共源共柵優(yōu)化的Si MOSFET，UnitedSiC推出了第一款SiC FET，RDS（on）小于10mΩ，具有更高的效率和更低的損耗。與Si IGBT的柵極電壓相同。圖片：UnitedSiC）

氮化鎵的優(yōu)點(diǎn)

從消費(fèi)電子到汽車的各個(gè)領(lǐng)域的OEM設(shè)計(jì)師都有一些共同的設(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(shuō)，在較高的頻率下，電源系統(tǒng)中的幾乎所有組件（電容器，電感器，變壓器等）都可以變小，并且由于GaN效率很高且產(chǎn)生的熱量很少，因此不需要任何散熱器，因此設(shè)計(jì)人員僅需卸下散熱器即可節(jié)省空間和成本。或者它們可能保持相同的頻率以獲得更高的效率。他說(shuō)，通常，即使效率提高了百分之一，也足以使服務(wù)器電源領(lǐng)域的客戶從鉑金級(jí)變?yōu)殁伡?jí)（效率為96％）。

Spaziani說(shuō)，這與工程師通常所做的沒(méi)什么不同。無(wú)論是使用硅還是其他技術(shù)，他們通常都必須優(yōu)化其電路板，但是柵極驅(qū)動(dòng)有所不同。使用GaN和SiC，柵極驅(qū)動(dòng)行為不同于硅MOSFET和硅IGBT，因此工程師必須首先問(wèn)的一件事是：“我如何驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O？”

在過(guò)去的30年中，MOSFET基本已成為0至12V的柵極驅(qū)動(dòng)電路，而GaN則為–3至6 V或0至10 V或0至5V。Spaziani說(shuō)，它們都有些不同。“但是好消息是GaN Systems現(xiàn)在已經(jīng)走了六年的路程，而且我們有大約十二家主要的半導(dǎo)體公司已經(jīng)創(chuàng)建了驅(qū)動(dòng)GaN的驅(qū)動(dòng)器，所以現(xiàn)在，這只是一個(gè)簡(jiǎn)單的應(yīng)用決策。”

GaN Systems還提供了一種稱為EZDrive的電路，從而消除了對(duì)分立驅(qū)動(dòng)器的需求。它將具有大約六個(gè)組件的12V MOSFET驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)換為6V GaN驅(qū)動(dòng)器。Spaziani說(shuō)：“它確實(shí)很便宜，并且適配器設(shè)計(jì)人員喜歡這種電路。”“它易于使用，不耗電且體積小，而且他們不必具有定制的柵極驅(qū)動(dòng)器。”

揭穿GaN神話

GaN供應(yīng)商認(rèn)為，關(guān)于GaN技術(shù)仍然存在一些神話，它們都是錯(cuò)誤的或半實(shí)的。問(wèn)題包括EMI，并聯(lián)，雪崩能力，可靠性和成本。

GaN器件的EMI更為嚴(yán)重。GaN提供了出色的開關(guān)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會(huì)更糟。實(shí)際上，供應(yīng)商說(shuō)它通常比具有良好布局的硅要好，并且可以使EMI濾波器更小，從而降低了成本。

并行化是一個(gè)常見(jiàn)的問(wèn)題。神話是GaN僅在低功率和高頻率下才有優(yōu)勢(shì)。例如，GaN Systems的客戶以20 kHz到20 MHz的頻率進(jìn)行切換，而高功率的客戶則是并聯(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的電流量即可。例如，如果要并聯(lián)兩個(gè)設(shè)備，并且一個(gè)晶體管承載70％的電流，它將損耗得更快，電路將很快失效。注意：來(lái)自不同SiC和GaN供應(yīng)商的設(shè)備在并行方面略有不同。

沒(méi)有雪崩能力。MOSFET進(jìn)入雪崩模式以鉗制電壓尖峰，以保護(hù)電路的其余部分免受故障影響。GaN器件制造商解決此問(wèn)題的方法是在電壓額定值中設(shè)計(jì)很多余量。例如，GaN Systems的650V額定器件只有在超過(guò)1000 V時(shí)才會(huì)發(fā)生故障。

可靠性和成本不等于硅。可靠性通過(guò)時(shí)間故障（FIT）來(lái)衡量。硅已經(jīng)存在了數(shù)十年，并且已被大多數(shù)供應(yīng)商證明是可靠的。但是，WBG半導(dǎo)體并非如此。像任何新技術(shù)一樣，可靠性風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)增加，成本也會(huì)更高。在WBG器件和硅器件之間進(jìn)行艱難的比較，僅僅是因?yàn)楣栊酒目煽啃砸训玫匠浞肿C明，而且多年來(lái)的大量生產(chǎn)已降低了成本。

但是一些WBG供應(yīng)商（例如GaN Systems）表示，可靠性[FIT]與硅相當(dāng)，在過(guò)去五年中價(jià)格差距明顯縮小，價(jià)格從3倍降到5倍，再降到1.5倍到2倍。

GaN Systems的器件的FIT率<0.1。圖片：GaN Systems）

編輯：hfy