1.1 碳化硅和氮化镓器件的介绍, 应用及优势

大家好，我叫于晓光 我将会为大家介绍 有关高频电源里碳化硅和氮化镓的应用 功率晶体管是电力电子产品的基本构成单元 一直在持续发展 如今包括碳化硅和氮化镓在内的 宽禁带半导体材料 作为更先进的功率晶体管正在被广泛地应用 这种器件的开关速度更快 并且它的导通电阻更低 在本主题里 我们将会讨论如何充分利用 这种新兴并且令人振奋的新技术 演讲的主题主要包括 碳化硅和氮化镓的独特的性能和特性 他们的一些典型的应用场合以及优势 然后我们会深入了解对于栅极驱动器的要求 以及它开关性能的一些讨论 在第四部分我们会介绍一种新的方法 来量化开通和关断损耗 并且展示这种宽禁带器件 在硬开关和软开关的优势 在第五和第六部分 我们会考虑使用这些宽禁带的晶体管时 相关的设计和测量挑战 我们会量化示波器探头的带宽要求 并且展示 3D 电子仿真工具 在设计中的重要性 最后是讲演的总结 第一部分碳化硅和氮化镓的介绍 应用以及它的好处 现如今包括能源之星和八十加在内的 政府监管和行业倡议 驱动电源向更高效、高功率密度 以及更低的系统成本的方向发展 这也是电力电子发展的三个主要的原则 在一些重要的应用中 比如说工业控制、能量收集、电信 数据中心以及电力传输尤为重要 基于碳化硅和氮化镓的新兴功率器件 有望突破硅器件的性能 使得功率控制更加高效 比如说 Google 和 IEEE 发起的 所谓 Little Box Challenge 也就是小盒计划挑战赛 希望将千兆瓦级的交直流逆变器的功率密度 推进到至少每立方英寸五十瓦 最终结果是 胜利者利用氮化镓 现了每立方英寸 143 瓦 将近规格最低要求的三倍 最终赢得了丰厚的 100 万美元的大奖 这里我们显示了 氮化镓、碳化硅以及硅材料的物理特性对比 在这里不同之处中 最主要的一点是它的能带隙 能带隙是指将电子从价带顶部 移到传导带底部所需的能量 注意它跟右下方对应的 材料电阻率的表达式存在强力相关性 但是能量越高 它的电阻率也就会越低 右侧图比较了这三种材料的理论电阻率 在实际应用中 我们已经几乎达到了硅的理论的极限 而碳化硅的电阻率至少是硅的 1/250 对 GaN 来说它的电阻率又是碳化硅的 1/9 基于宽禁带材料的功率晶体管具有 更高的击穿电场、更低的泄漏特性 以及更高的电子迁移率、更高的热导率 并且与硅晶体管相比它们存储的电荷更少 总体来说这些特性 都推动他们能够在更高结温下工作 在过去六七年里 业界在熟悉了解这些材料 设计晶体管方面取得了重大的进展 当然，对于在座的各位来说 挑战是如何使用这一个新技术 宽禁带功率器件的商业化 始于 2001 年碳化硅二极管的引入 由于这些器件几乎没有反向恢复电荷 因此广泛应用于 功率因数校正和光伏逆变器中 在十年以后的2011年世界上出现了 第一个碳化硅的 MOSFET 晶体管 主要的玩家和技术推动者 如这里所列 如 Wolfspeed、Rohm、Infineon、ST 等 分立式碳化硅 FET 目前的电压应力范围 在 400 到 1700 伏左右 并且它可以支持最高达 60 安培的电流 相应的导通电阻和开关品质因数 开关品质因数是指 门极电荷和导通电阻的乘积 它远远优于同类别的硅 FET 有报告指出 碳化硅功率器件在 2015 年 它的营收为两亿美金 预计的年幅增长率为 22% 德州仪器通过推出针对碳化硅晶体管 进行优化设计的栅极驱动器 比如说 UCC2753X 家族 来助力碳化硅技术的发展 像我们下图所示 碳化硅的主要竞争对手 是高压 Super-Junction FET 而 GaN 的主要竞争对手则是碳化硅 以及电压低至 30V 的硅 MOSFET GaN 分立式功率器件于 2011 年首次推出 目前涵盖的范围从 30V 到 650V 电流从 15A 到 90A 不等 我们可以看到它的 相关的导通电阻和开关的品质因数 它明显比硅或者是碳化硅性能更佳 氮化镓主要的玩家 比如说 EPC、GaN Systems、Transphorm Panasonic、Navitas 等等 市场研究指出 2015 年 GaN 的市场为一千万美金 2016 年到 2020 年年幅增长率将达到 95% 针对 GaN 市场 德州仪器推出了 600V 的 LMG3410 以及 80V 的 LMG5200 他们都是高集成的氮化镓功率模块 我们可以预计到 宽禁带技术是我们未来能源的基础 这一页里我们来量化 他们在典型的应用场合中 在效率、功率密度以及成本上的优势 特别需要指出的是 市场研究表明 如果硅材料器件被碳化硅或者是 GaN 来替代 DC/DC 变换器的效率可以 从 85% 提升到 95% AC/DC 的效率可以从 85% 提到 90% 而 DC/AC 转换效率会从 96% 提升到 99% 宽禁带半导体还能够实现系统级的性能提升 认识到这一点会使我们 更加了解和重视碳化硅和 GaN 的应用 比如说降低开关损耗和导通损耗 有助于提高工作效率 并且降低我们热管理相应的成本 以电动车辆里的电池充电器为例 这些充电器可以将多达 8000W 的功率 提供给 400V 的电池组 温度会随负载明显地升高 很明显在这种功率等级下 效率提高几个百分点 就可以对整个系统成本 以及系统的可靠性有明显的帮助 除了在现有应用里可能会取代硅 宽禁带技术还会产生一些新的应用 一个很好的例子是 5G 基站发射器的射频包络跟踪 其他比如说高温井下钻井 超高功率的风力涡轮机、光伏发电机 以及低失真 D 类放大器 由于宽禁带技术在辐射灵敏度方面天生优势 它还会大量应用于航天航空领域 在第一部分里面 我们介绍了碳化硅和氮化镓的材料特性 并且列举了一些 典型的应用场合以及它的优势 谢谢大家