寬能隙半導體為高功率轉換和馬達控制帶來新機會

作者 : Mark Patrick,貿澤電子EMEA技術行銷經理

電子產業對於碳化矽(SiC)和氮化鎵(GaN)等化合物半導體材料的研究,促成了更高能效、更小巧且更穩定的半導體元件,從而為功率轉換和馬達驅動等應用注入新活力以及性能優勢...

仰仗多年的研發和創新,電子產業經常每隔一段時間就會有某個領域取得重大技術進步。最近,功率電子領域即從半導體製程技術創新中受益匪淺,並推動寬能隙(WBG)元件發展。幾十年來,矽一直是首選的半導體材料。但是,對其他化合物半導體材料——尤其是碳化矽(SiC)和氮化鎵(GaN)的研究,促成了更高能效、更小巧且更穩定的半導體元件,從而為功率轉換和馬達驅動等應用注入新活力,並帶來顯著的性能優勢。

在半導體物理學中,能隙是固態材料中價電帶(valence band)和傳導帶(conduction band)之間的能量範圍,其中並不存在任何電子態。跨越能隙需要電子擁有足夠能量(以eV為單位),以實現傳導並產生電流。能隙屬性相對較低的材料通常都是半導體,而能隙較高的材料則為絕緣體。例如,矽的能隙特性為1.1eV,而氮化鎵和碳化矽的能隙值相似,範圍約在3.2eV~3.4eV之間,大概是矽的三倍,由這些複合材料製成的功率半導體元件(例如MOSFET和JFET)更適合於馬達閘極驅動器和開關電路等高壓應用。高能隙值還具備較低的洩漏電流,而高電子飽和速度則允許元件在高開關頻率下操作。

矽和碳化矽、氮化鎵等寬能隙材料之間的其他電氣差異還包括電介質擊穿電壓明顯較高,以及較高的電子遷移率。相較於矽的擊穿電壓約0.3MV/cm,SiC與GaN的電介質擊穿電壓分別為3.5MV/cm和3.3MV/cm,這表明寬能隙元件擊穿電壓特性至少比矽元件好十倍。

電子遷移率是表徵電子在化合物半導體中遷移速度的一個指標,它代表SiC和GaN之間的差異及其各自適合的應用。GaN的電子遷移率為2000cm2/Vs,而矽為1500cm2/Vs。然而,SiC電子遷移率要慢得多,大約為650cm2/Vs,因而不適用於高速開關應用。但是,GaN的電子遷移率是SiC三倍,適合在更高開關頻率下操作。

寬能隙元件技術優勢

導熱性是影響高功率轉換和馬達驅動應用的另一項物理特性。元件內產生熱量需要盡可能高效地傳導出去,而導熱性指標則表示材料透過自身進行熱傳導之效率。就該指標而言,氮化鎵導熱能力略低於矽,但碳化矽導熱效率卻是矽的三倍,因此非常適合高溫應用。

Comparing the  electrical and physical properties of silicon carbide and gallium nitride wide bandgap materials compared to silicon (Source: Mouser)

1:碳化矽和氮化鎵寬能隙材料與矽元件的電氣和物理特性比較。(來源:Mouser)

寬能隙化合物半導體的另一個重要特性是其導通電阻(Rds(on)明顯低於矽MOSFET,進而能夠降低功率轉換應用中的開關損耗,而其他部份的開關損耗則發生在功率轉換器中使用的相關被動元件,例如電感器、變壓器和電容器等。

而且,SiC和GaN元件的實體結構比相應的矽元件體積更小、重量更輕,因而可以實現更緊湊、更輕巧的半導體元件。由於具有尺寸較小的晶片,元件內部電容影響減小,進而允許更高開關頻率。例如,在相同的操作電壓範圍下,矽基MOSFET的晶片面積大約是SiC MOSFET的五倍。

憑藉著上述的優勢,寬能隙半導體元件非常適合於功率轉換和馬達驅動應用。這些優勢之間彼此相互關聯、共同作用,有助於實現更高能效、體積更緊湊和功能更強大應用。氮化鎵和碳化矽之間的差異還決定了哪一種寬能隙材料更適合於某個特定應用。例如,SiC具有出色導熱性,因而適合用於高溫系統。

在基於GaN和SiC元件的電路中,由於能夠在更高開關頻率下操作,因而得以使用體積更小的電感器和電容器,從而進一步節省PCB空間和材料清單(BoM)成本。

寬能隙功率轉換應用實務

業界多家供應商目前提供了各種封裝尺寸、製程技術和額定電壓的寬能隙元件,這些供應商包括英飛凌科技(Infineon Technologies)、意法半導體(STMicroelectronics)、羅姆半導體(ROHM Semiconductor)以及GaN Systems等。除了元件本身之外,評估板和參考設計也有助於加快原型設計和終端產品的開發。

例如,英飛凌的CoolSiC和CoolGaN產品組合分別提供了SiC和GaN元件。經過最佳化的CoolSiC系列元件是1700V SiC Trench MOSFET,可用於返馳式轉換器拓撲架構,具有非常低的開關損耗,並且與大多數12V控制器驅動器IC相容。該MOSFET採用TO-263 7L表面貼裝格式,汲極與源極之間的漏電距離為7mm,確保可以輕鬆滿足終端產品的安全標準。此外,單獨的驅動器源極接腳有助於減少通常由閘極迴路寄生電感引起的閘極振鈴。英飛凌並為其提供參考設計,有助於工程師使用三相單端返馳式轉換器拓撲架構開發輔助電源,如2

The Infineon REF_62W_FLY_1700V_SiC reference board featuring a 1,700V Infineon CoolSiC MOSFET (Source: Infineon)

2:採用1700V Infineon CoolSiC MOSFET的參考設計。 (圖片來源:Infineon Technologies)

CoolGaN系列則包括一個600V增強模式、通常關斷型超快速開關功率電晶體IGOT60R070D1。該元件最大Rds(on)額定值為70mΩ,適合於在高頻半橋圖騰柱PFC電路中使用。此電晶體具有低閘極電荷和低輸出電荷特性,非常適合工業、電訊和資料中心等應用。

英飛凌並提供使用IGOT60R070D1的2500W全橋圖騰柱PFC展示板,顯示在效率關鍵型應用中使用GaN技術可實現高達99.2%能量轉換效率的優勢。圖騰柱PFC使用半導體開關而非橋式整流器或單個二極體來建構高效率的AC/DC轉換器電路,控制電路使用一個65kHz恒定PWM開關頻率和一個連續導通模式控制器IC。

STMicroelectronics的寬能隙產品陣容包括650V和1200V碳化矽MOSFET,參見3

The Infineon CoolGaN 2,500W full-bridge totem-pole PFC AC/DC converter  demonstration board (Source: Infineon)

3STMicroelectronics的碳化矽MOSFET產品組合。(源自:STMicroelectronics)

意法半導體的1200V碳化矽MOSFET採用HiP247封裝,其Rds(on)為21mΩ,可承受91A最大汲極電流。該MOSFET並整合了一個快速且耐用的體二極體,並且具有較低閘極電荷和輸入電容,適用於各種DC-DC轉換器、充電器和再生能源系統等應用。

該公司的另一款SiC MOSFET是經過AEC-Q101認證的汽車級650V、100A寬能隙半導體元件,其Rds(on)為20mΩ。STMicroelectronics的這兩款MOSFET均適用於接面溫度為200℃的高溫應用。

ROHM提供1200V、95A的高功率碳化矽MOSFET,其Rds(on)為22mΩ,最大接面操作溫度為175℃。該元件應用包括範圍廣泛的功率轉換、太陽能逆變器和馬達控制設計等。

最後是來自GaN Systems的GS6100x系列100V GaN增強型電晶體。該元件採用底側冷卻方法,其Ids (max)為38A,Rds(on)可低至18mΩ,能夠容許高於10MHz的開關頻率。GaN Systems並提供整合兩個GS61004B電晶體的全橋式評估板。

The STMicroelectronics portfolio of silicon carbide MOSFETS (Source:  STMicroelectronics)

4:整合兩個100V GaN增強型電晶體的全橋式評估板。(圖片來源:GaN Systems)

 結論

針對馬達閘極驅動和功率轉換電路,寬能隙半導體預示著能夠達到新的能源效率等級、更高的開關頻率與操作溫度。採用基於碳化矽和氮化鎵的MOSFET和電晶體元件,以及互補的設計資源如今已充份到位,有助於業界工程師整合於其下一代的設計中。

本文同步刊登於EDN Taiwan 2021年10月號雜誌

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