加速SiC和GaN

碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)在电力电子产品中越来越受欢迎，特别是在汽车应用中，随着产量的扩大，降低了成本，并增加了对更好的工具的需求，以设计、验证和测试这些宽带隙器件。

这两个原文如此而且氮化镓在电动汽车电池管理等领域被证明是至关重要的。它们可以处理比硅高得多的电压，而且它们在安全关键应用中的实用性也吸引了其他领域的关注。

该公司汽车测试解决方案经理Lee Harrison表示:“SiC尤其能够提供更快的开关速度，这使得电池管理成为其杀手级应用。西门子EDA．“阻挡高压的能力使其成为电动汽车稳压器的完美选择。”

研究人员花了几十年时间研究SiC和GaN，并将其工业化，意法半导体和英飞凌等芯片制造商提高了成品率，降低了缺陷，现在这些技术已经可以用于商业用途。

意法半导体公司功率晶体管部门的营销人员Gianfranco Di Marco说:“这些宽带隙半导体最近受到了更多的关注，因为我们作为一个行业，在工业化和制造它们方面做得更好。”他指出了这些宽带隙复合半导体材料的电场强度和热性能。“产品成功应用于一系列重要应用，如牵引逆变器、OBC(车载充电器)、DC-DC、电动汽车充电站、SiC充电基础设施以及用于GaN的消费电子产品中的功率转换器，这一进展得到了认可。由于SiC和GaN在一些应用中都比传统硅具有更高的电源效率，因此它们正在吸引更多的关注。”

GaN在rf支持的商业系统(如5G)和先进驾驶辅助系统(ADAS)中使用的雷达中也越来越受欢迎。该公司高级产品营销经理David Vye表示:“根据这些高频系统所要求的功率要求，GaN因其性能(包括功率、线性度和功率附加效率)正在成为主导半导体。节奏．“目前，GaN mmic和分立器件广泛应用于射频功率放大器和低噪声放大器。”

与此同时，碳化硅mosfet可用于充电站，充电站将成为电动汽车和插电式混合动力汽车全球基础设施的支柱。Di Marco表示:“碳化硅在汽车领域的应用也有助于解决工业领域的其他应用领域，同时帮助设计师构思未来几代用于空间和航空电子应用的SiC和GaN产品。”“SiC mosfet和GaN hemt在很大程度上是互补的，因为它们各自解决不同的应用。电动汽车现在正受益于这两者的大规模采用，SiC mosfet及其在650V至1700v电压下工作的能力是牵引逆变器、DC-DC转换器和车载充电器的理想选择。”

另一方面，GaN的工作电压从900V到100V。最终，随着GaN的成熟和成本效益的提高，由于其更高的频率能力，GaN也可能成为后两种应用的有价值的技术。

SiC和GaN技术优势
作为宽带隙技术，SiC和GaN都可以在更高的电压下工作而不牺牲性能。

Vye说:“它们可以更安全地处理更高的温度，并可以在更高的频率下工作。”“它们的物理和电气特性使其能够达到无与伦比的小型化、可靠性和功率密度水平。这些都是要求苛刻的应用，如电动汽车，逆变器和充电器，数据中心转换器和工业驱动器，仅举几例。这两种材料还可以有助于解决环境问题，这些问题受到了广泛的讨论，并成为推动政府未来能源政策的焦点。”

Vye指出，与硅和III-V器件相比，GaN和SiC可以承受更高的电场，这意味着它们可以承受比竞争技术更高的功率密度和工作温度。此外，GaN还提供了许多技术优势，例如更高的输出阻抗。这使得功率放大器和功率组合更容易进行阻抗匹配，从而在许多射频功率应用中实现更广泛的频率覆盖和更强的适应性。”

因此，基于GaN微波单片ic (mmic)的功率放大器已被开发用于广泛的系统，如基础设施设备、导弹防御和雷达。

与此同时，宽带隙器件通常具有10倍的电击穿场强度和3倍的带隙，使它们能够在比常规硅技术更高的温度下工作，这使得它们非常适合电源调节和管理，Harrison说。

SiC和GaN的设计和制造挑战
尽管有这些好处，但技术障碍仍然存在——新技术经常遇到这种情况。

“ST在技术上有长远的眼光，并愿意投资于克服我们认为有巨大潜力的技术障碍，”Di Marco说。“对于SiC来说，在我们25年的旅程中，有太多的挑战。一是SiC在专用设备中需要更高的加工温度，我们必须开发能够在这些温度下制造的工艺。”

对于GaN来说，最大的问题与技术的成熟度有关，并充分理解故障机制，以便有效筛选以隔离缺陷器件。DiMarco说:“我们非常关注GaN的工业化过程和有效的筛选方法，以确保最高水平的可靠性。”“结合离散产品STPOWER GaN，我们还发现在电路中采用GaN的工程师面临更大的设计挑战。这些挑战促使我们开发我们的MASTERGAN和STi2GAN产品，我们将驱动器，GaN功率器件和(可选)双极/CMOS/DMOS逻辑控制结合在一个单一的芯片或封装中。

热的问题
由于它们是高功率器件，GaN和SiC器件都消耗了大量的热能，这提高了它们的工作温度。

Vye说:“较高的工作温度会影响射频性能，并威胁放大器的可靠性，因为半导体器件的平均故障时间(MTTF)与通道温度直接相关。”“射频设计人员越来越需要了解可能的工作温度，以便做出关键设计决策，并确保适当的热沉策略。传统上，热分析可能是由机械工程师根据射频设计人员提供的数据进行的，或者是在实验室中使用红外传感器等设备制造设备并测量其工作温度。”

可以使用新的热分析工具，其中一些直接在射频电路设计环境中使用。例如，Cadence flow使用定义MMIC结构的几何和材料数据以及来自非线性电路模拟的功耗数据，使用有限元分析(FEA)求解器计算得出的热耗散。这使得射频设计人员可以在优化射频性能的同时解决热设计问题。

宽带隙器件的设计考虑因素
尽管如此，从设计方面来看，需要认识到SiC和GaN器件与硅器件具有不同的特性。

“你控制这些设备的方式，即门驱动，是不同的，”乔治梁说，系统应用工程的开关电源和电池应用英飞凌科技．“当你试图为特定的应用程序实现解决方案时，你需要看看设备在过渡期间是如何工作的。宽带隙器件与传统硅技术的显著区别在于开关损耗有很大不同。转换可能有点不同。为了最大化使用宽带隙设备的好处，你真的需要学习如何控制这个设备上的开关。”

成本也需要考虑在内。“如果你看看今天设计和制造宽带隙器件的成本，它们仍然比硅mosfet高得多，”梁说。“它正在逐渐降低，但这需要时间。如果你有一个设计，你认为你需要马上做，并且认为产品窗口不会持续很长时间，工程团队需要考虑产品何时发布。但从长远来看，他们需要考虑哪些行业趋势推动了这种需求，以确定现在就设计它是否有意义，或者等待几年，直到设备技术成熟，并可从多个供应商获得。”

另一个需要考虑的问题是切换到宽带隙设备是否会有好处。“硅MOSFET足够吗?因为对于给定的应用程序有很多可用的供应商，所以它是一个更好的选择吗?例如，如果尺寸不是首要考虑的问题，那么为什么不考虑氮化镓器件呢?你能在使用更新的交换机基础设施的同时获得更高的效率吗?如果我需要多个来源，那么硅MOSFET是一个更好的选择，因为它们在市场上更容易获得。所以这取决于具体的应用用例。”

图1:汽车用SiC MOSFET。来源:英飞凌

然后，从设计工具的角度来看，SiC和GaN器件需要进行一些更新。

他指出:“由于硅MOSFET技术已经存在了很长一段时间，因此有更多的仿真模型可用。”“此外，设计工程师在设计时还需要如何使用设备的应用指南。大多数公司在新的宽带隙设备上使用参考设计和仿真板，所以情况越来越好。建模方面是问题所在。还有很长的路要走。人们需要了解宽频带隙器件在各种条件下的开关行为。要在任何条件下工作的模型中捕获这一点都需要一些时间，但这是会发生的。我预计在几年内，这些材料将更容易使用。”

相比之下，几乎所有这些都是在标准硅器件上反复研究出来的。“碳化硅器件的控制方式自然与传统的MOSFET非常相似，因此如何驱动碳化硅也非常相似，”Liang说。“但你仍然需要控制电压。从用户的角度来看，随着时间的推移，我希望半导体制造商能够提供更好的设计工具、参考设计和用于解释参考设计的仿真模型。它将逐渐发生。”

测试的挑战
另一个问题涉及到测试。GaN和SiC的缺陷密度仍然更高，这使得高覆盖率至关重要——特别是当它们用于汽车或其他安全关键应用时。

Harrison说:“每个人都熟悉这些设备的硅生命周期图，以确保我们不会看到早期生命周期故障，这将导致由于潜在故障而导致早期客户退货。”“这些设备的制造商会进行压力测试，以确保在设备进入车辆之前发现设备中的任何潜在故障。对于这种技术，压力测试周期可以相当广泛-比普通硅长许多倍。SiC和GaN技术的挑战之一是低温操作，这可能会影响设备的寿命。大量的风险可以通过广泛的测试来消除。测试中的差异更多地是由于应用测试程序的条件，而不是运行的测试类型。”

结论
SiC和GaN的未来在许多应用领域都很有前景，但最引人注目的是在汽车电池管理方面，因为这些材料可以处理高电压。一旦器件表征和建模支持得到改善，成本将进一步下降，这两种宽带隙材料有望进入更多应用领域。

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