使用 WBG 半导体进行设计需要一些额外的专业知识

作者：Gina Roos，主编 

硅 (Si) 基半导体比宽带隙 (WBG) 半导体领先数十年，主要是碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN)，并且仍然拥有约 90% 至 98% 的市场份额。给芯片供应商。尽管离成熟的技术还很远，但 WBG 半导体由于其优于硅的性能优势（包括更高的效率、更高的功率密度、更小的尺寸和更少的冷却），正在跨行业进军。

使用基于 SiC 或 GaN 的功率半导体获得最佳设计需要更多的专业知识和几个领域的仔细考虑，包括开关拓扑、电磁干扰 (EMI)、布局、并联和栅极驱动器的选择。解决可靠性和成本问题也很重要。

在可以使用 Si、SiC 和 GaN 的重叠应用中，选择归结为密度、效率和成本，一旦设计人员了解这三个参数，就会指导他们使用哪种开关技术。（图片：英飞凌科技）

为什么要转投WBG？这一切都始于基于设计目标从 Si 转向 SiC 或 GaN 功率器件的决定。

Infineon Technologies AG 功率分立技术营销工程师 Bob Yee 表示，无论是使用硅还是切换到 SiC 或 GaN，设计人员都需要考虑三件事——成本、效率和密度。英飞凌凭借其 CoolSiC 和 CoolGaN 产品组合涉足 SiC 和 GaN 市场，还提供 Si MOSFET 和 IGBT。

Yee 说，成本以每瓦特美元、功率输入/功率输出百分比来衡量，密度以每立方英寸瓦特为单位。“一旦你确定了这些目标，这将决定技术的类型以及成本点在哪里。”

对功率半导体器件不断增长的需求正在推动宽带隙半导体市场。主要参与者一直在投资开发和大规模生产用于 SiC 和 GaN 的材料和晶圆。WBG市场将走向何方？谁是统治者？他们如何解决数十年来成本高、数量有限和供应链受限的问题？这个 EE Times 特别项目将揭示 WBG 半导体市场的技术、应用和动态。

Yee 说，尺寸和重量对于了解您使用的是硅还是 WBG 很重要，并举了一个小尺寸适配器设计的例子，它可能会在 Si MOSFET 上使用 GaN 晶体管 (HEMT)。原因？GaN 更高的开关频率允许设计人员缩小占电源尺寸很大一部分的磁性元件的尺寸。

“设计师必须了解他们的密度需求是什么，这最终将决定效率，因为在小尺寸中散热的空间更少，”他补充道。“这意味着需要更高的效率，推动设计人员使用 WBG。”

神奇的线硅基解决方案在过去的几十年中实现了更高的效率和更小的尺寸，但在某一点上，WBG 半导体可以提供更好的效率。Yee 举了一个 100W 电源的例子——100W 输入和 94W 输出，这意味着 6% 的损耗或 94% 的效率。“这就是你从硅分离到使用 WBG 技术的神奇路线，”他说。“如果工程师设计的比例高达 94%，那么它已经被硅覆盖了，没有理由去 WBG 并支付更多费用。但是，如果您想实现 96% 的效率，除了使用 WBG 之外别无选择，这归结为除了拓扑结构之外，开关本身的特性上的寄生损耗。

“如果你想实现 96% 的效率，你需要一种利用 GaN 或 SiC 的新拓扑，”他补充道。

一个很好的例子是使用功率因数校正 (PFC) 拓扑。如果设计人员查看开关技术如何针对特定拓扑进行优化——例如，利用 WBG 的图腾柱 PFC——它会提高性能，Yee 说，“这就是为什么无桥图腾柱 PFC 确实是一个灌篮为世界银行集团。”

设计人员需要通过查看开关技术如何针对特定拓扑进行优化以实现最大的性能改进来评估 WBG 设备。（图片：英飞凌科技）

挑战设计人员可以优化他们的设计以实现更高的频率、更高的功率密度和更高的效率。这就是出现一些 WBG 技术挑战的地方。当以更高的频率进行开关时，设计人员需要注意 EMI 和更高的开关损耗。

WBG 的寄生效应小于硅等效器件，这意味着 EMI 很容易升高，因为它是一个更快的开关。Yee 表示，当您针对高频进行优化时，您需要注意 EMI，并且需要考虑额外的开关损耗。

SiC FET、SiC JFET 和 SiC 肖特基二极管的制造商 UnitedSiC 的工程副总裁 Anup Bhalla 对此表示同意。“EMI 问题变得更加严重，尤其是当您试图获得更高功率密度的系统优势时，这实际上意味着一切都变得更小，而它变得更小的唯一方法就是更快地切换。这使您可以将变压器、电感器、散热器和其他东西做得更小。”

Bhalla 说，更快的切换还意味着您正在以高电压和电流的变化率运行，这可能导致大的电压过冲和 EMI 问题，因此布局变得更具挑战性。

“电路电源侧的这些快速电压变化很容易影响电路的信号侧，因为它可以在你不知道的情况下在这里或那里发送一点电压尖峰，”他说。“它可能会在错误的时间触发栅极驱动器并炸毁一切，因此您必须更加小心布局。这通常需要 [客户] 进行大量的工程工作才能达到目标，而且他们中的许多人在过去的四五年中实现了这一飞跃。”

优化布局布局可能是一个挑战；Yee 说，最大的障碍是司机和登机口之间。“设计师需要注意三个终端。它是驱动器输出到栅极输入，无论是 SiC 还是 GaN，以及驱动器源极到 WBG 器件源极的接地连接。”

Yee 说，他们需要最小化的第一件事是环路电感，因为 WBG 部件的开关速度要快得多。“如果他们不注意这一点，他们就会制造出会发射辐射的收音机。” 因此，需要特别注意这些连接。为了缓解这一挑战，英飞凌建议使用具有 Kelvin 源功能的 WBG 器件。

布局也影响高功率应用的并联。Bhalla 说，并行相当简单。“这是相同的一般物理特性——你必须保持布局对称和平衡。我们必须保持零件之间的参数分布相对紧凑，以便所有零件看起来大致相同，以便它们容易平行。

“设计师喜欢采用这些快速部件并将它们并联起来，就像他们在过去并联 IGBT 一样，”他补充道。“这很困难，因为 IGBT 的速度要慢得多，因此它们更容易并联。当您尝试同时以 10 倍的速度并行和切换时，您必须在布局方面做更多的工作。

“你必须小心，至少要进行一半体面的布局，以使并行设备之间的所有当前路径看起来大致相同。你不能让一个设备的电感只有另一个设备的五分之一，然后期望它们并联；那是行不通的。”

Bhalla 说，有时向工程师展示如何解决布局和并行方面的挑战的最简单方法是给他们一个演示板。“我们非常小心地确保当您并行使用这些设备时，用于驱动栅极的环路必须与路由所有功率/电流的环路保持分离。栅极驱动电路是一个小环路，然后有一个强大的大环路驱动所有功率/电流，您希望最大限度地减少这两者之间的耦合。如果你这样做了，你就会知道并行会变得更好、更容易。”

使用 GaN 器件时也是如此。“工程师必须比以前更好地了解布局，因为 GAN 速度很快，”GaN HEMT/E-HEMT 器件专家 GaN Systems 销售和营销副总裁 Larry Spaziani 说。“如果您没有正确的布局，那么您可能会遇到性能或 EMI 甚至故障模式的问题。

“GaN 不会改变布局规则，但一切都更小、更紧凑、更紧凑，所以你必须确保你做对了，”他补充道。

Yee 解释说，对 SiC 进行微调SiC 可以用作 Si IGBT 或 Si MOSFET 的性能替代品，部分原因是驱动结构非常相似——它是一个常关部件并使用标准驱动器，但存在细微差别。

使用 Si MOSFET，驱动电压为 10 V 至 12 V；但是，如果您使用 SiC，它是 0 V 到 18 V，并且欠压锁定 (UVLO) 从 Si 的 8 V 变为 SiC 的 13 V，因此设计人员在从 Si 迁移到碳化硅，Yee 解释说。

但是，使用GaN，驱动结构就完全不同了；他补充说，它与 IGBT 或 MOSFET 不同。“您必须使用具有特定开启和关闭时间的特定驱动程序。因此，设计人员确实需要注意驱动方案，不仅是时序，而且如果他们要并联 GaN FET，他们必须在驱动器和 GaN FET 之间实现完美的对称布局。”

需要注意的是，只要 GaN 支持栅极驱动电压和 UVLO，设计人员就可以使用标准驱动器，但同样需要对设计进行调整。大多数供应商建议使用新一代栅极驱动器，以通过能够以最快的开关速度进行开关来获得最高性能。

与专用 GaN 驱动器相比，使用标准栅极驱动器驱动 GaN 器件需要添加负电压电源以安全地打开和关闭器件。（图片：英飞凌科技）

“如果您使用标准驱动器，您必须为 GaN 提供正电压和负电压，这就是我们更喜欢客户使用专用驱动器的原因，”Yee 说。他推荐英飞凌的 1EDF56x3 系列 GaN 栅极驱动器。

并非所有 SiC 器件都是一样的 大多数 WBG 器件并不是 Si MOSFET 或 Si 晶体管的直接替代品。一个例外是级联型设备，几乎不需要额外的工程工作。然而，设计人员失去了 WBG 半导体的一些优势。

一个例子是 UnitedSiC 的 SiC 产品，这些产品都采用硅兼容封装。这意味着这些设备实际上可以将它们放入以前使用 IGBT 或 Si 超结 MOSFET 的插座中。

Bhalla 说，其产品的独特之处之一是它制造了像 MOSFET 一样工作的基于级联的器件。这些 SiC FET 包括与级联优化的 Si MOSFET 共同封装的 SiC 快速 JET，以提供采用标准通孔和表面贴装封装的标准栅极驱动 SiC 器件。“我们的级联型器件是一个字面上的插入，除了栅极电阻变化之外没有任何变化，”他说。

此外，这些设备不需要特殊的驱动程序；Bhalla 说，它们与所有主要供应商已投放市场十年的标准硅栅极驱动器 IC 兼容，包括与 SiC MOSFET 和“老式”IGBT 一起使用的旧产品。

他补充说，在过去两年中，专门为 SiC 开发了许多优秀的栅极驱动器。“它们更贵，但人们已经开始使用它们，我们的设备也与那些更好的驱动程序兼容。”

但也有一些缺点，包括无法从 WBG 设备中获得最高性能。“我们在这些封装中销售我们的超高速器件，其中包含大量电感，”Bhalla 说。“当你通过这些封装在电路中设置高转换率 (di/dt) 时，它只会加剧快速开关的所有问题——更大的过冲、更多的振荡等。”

Bhalla 说，向更好的包装过渡是一项正在进行的工作。“这就是现实：人们正在使用 SiC 的部分优势，并且仍然在他们的终端系统中以廉价和肮脏的方式获得一些好处。

“世界上很大一部分地区仍在使用硅，因此对于他们从硅转向碳化硅来说，我们提供了一个非常好的垫脚石，”他说。

Bhalla 认为，到明年，将会有很多顶部冷却的表面贴装封装，甚至是将整个半桥集成在一个封装中的表面贴装型模块。“它必须完成，因为你知道，如果没有它，用户就无法从中获得所有好处，他们也无法进入下一个层次，”他说。

例如，UnitedSiC 最近推出了采用 TO-247 封装的7mΩ R DS(ON) 、650V 器件。（低 R DS(ON)可以实现更高的效率。）该公司最接近的竞争对手的导通电阻高出 3 倍，但 UnitedSiC 遇到的一个问题是封装引线实际上比芯片更热。“所以我们采用了一个 200-A 的设备并将其降额到 120 A，因为当我们在实践中使用这个设备时，我们发现引线比芯片本身更热，”Bhalla 说。

UnitedSiC通过在熟悉的 TO-247 封装中结合第三代 SiC JFET 和级联优化的 Si MOSFET，推出了第一款 SiC FET，其 R DS(on) <10 mΩ，效率更高，损耗更低在相同的 Si IGBT 栅极电压下。（图片：UnitedSiC）

GaN 使从消费类电子产品到汽车领域的 OEM 设计人员有几个共同的设计要求：他们想要更高的功率密度和更小的电子产品。

Spaziani 说，在更高的频率下，电力系统中的几乎所有组件（电容器、电感器、变压器等）都可以更小，而且由于 GaN 非常高效且产生的热量非常少，因此它不需要任何热量散热器，因此设计人员只需卸下散热器即可节省空间和成本。或者他们可能会保持相同的频率以实现更高的效率。他说，通常情况下，即使效率提高 1%，也足以让服务器电源领域的客户从铂金级提升到钛金级 [96% 效率]。

Spaziani 说，这与工程师通常会做的事情没有什么不同。无论他们使用硅还是其他技术，他们通常都必须优化他们的电路板，但栅极驱动有所不同。对于 GaN 和 SiC，栅极驱动行为不同于硅 MOSFET 和硅 IGBT，因此工程师首先要问的是，“我如何驱动栅极？”

在过去的 30 年里，MOSFET 基本上变成了 0 到 12 V 的栅极驱动电路，而 GaN 要么是 –3 到 6 V，要么是 0 到 10 V，要么是 0 到 5 V；Spaziani 说，它们都有点不同。“但好消息是，GaN Systems 现在已经进入了六年的旅程，我们有大约十二家主要的半导体公司已经创造了驱动 GaN 的驱动力，所以现在，这只是一个简单的应用决策。”

GaN Systems 还提供了一种称为 EZDrive 的电路，它消除了对分立驱动器的需求。它将 12V MOSFET 驱动器转换为具有大约六个组件的 6V GaN 驱动器。“它真的很便宜，而且适配器设计师喜欢这种电路，”Spaziani 说。“它易于使用、不耗电、体积小，而且他们不必定制栅极驱动器。”

揭穿 GaN 神话GaN 供应商认为仍然存在一些关于 GaN 技术的神话，要么是错误的，要么是半真半假的。问题包括 EMI、并联、雪崩能力、可靠性和成本。

GaN 器件的 EMI 更糟。GaN 提供出色的开关边沿，可实现更高的效率和更高的频率，但这并不意味着 EMI 更差。事实上，供应商表示它通常比具有良好布局的硅更好，并且可以产生更小的 EMI 滤波器，从而降低成本。

并行是一个常见的问题。一个神话是 GaN 只擅长低功率和高频。例如，GaN Systems 的客户切换频率为 20 kHz 至 20 MHz，并且在高功率下，它们是并联设备。GaN晶体管可以很好地并联；只需确保每个晶体管承载大约相同数量的电流即可。例如，如果你并联两个设备，一个晶体管承载 70% 的电流，它会更快磨损，电路也会更快失效。警告：来自不同 SiC 和 GaN 供应商的器件的平行度略有不同。

没有雪崩能力。MOSFET 进入雪崩模式以抑制电压尖峰，以保护电路的其余部分免受故障。GaN 器件制造商解决此问题的方法是在额定电压中设计大量余量。例如，GaN Systems 的 650 V 额定器件在超过 1,000 V 之前不会出现故障。

可靠性和成本不等于硅。可靠性是通过时间故障 (FIT) 来衡量的。硅已经存在了几十年，并且被大多数供应商证明是可靠的。但 WBG 半导体并非如此。与任何新技术一样，可靠性风险也会增加，成本也会更高。WBG 设备和硅设备之间的比较是一个艰难的比较，因为硅芯片的可靠性有据可查，而且多年来的大批量生产降低了成本。

但一些 WBG 供应商，如 GaN Systems，表示可靠性 [FIT] 与硅相当，价格差距在过去五年中显着缩小，从 3 倍到 5 倍下降到 1.5 倍到 2 倍以上。

GaN Systems 的器件显示出 <0.1 的 FIT 率。（图片：氮化镓系统）

WBG 供应商提供设计工具、演示板和指导来帮助客户过渡到 SiC 和 GaN 器件，但最终，客户必须付出努力并进行研发以实现向新技术的飞跃。

“所有的好处都在那里，但如果没有客户在工程方面的努力和指导，它们就不会出现，”Bhalla 说。

审核编辑 黄昊宇