作者：United Silicon Carbide公司新產品導入經理Zhongda Li

寬帶隙器件的承諾

諸如碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）等寬帶隙（WBG）器件是當前的“熱門話題”，這些器件承諾可以把從通用無線充電到功率轉換器的解決方案縮小到非常微小的尺寸。然而，這些都是從理論計算的性能表現，實際上并非如此。

我們這里先回顧一下，簡單介紹什么是寬帶隙器件。半導體中具有“束縛”的電子，分別占據原子核周圍價帶和導帶的不同能級。電子可以躍遷到導帶并且可用于電流流動，但是產生這種躍遷需要能量激發。在寬帶隙器件中，這種能量要求比硅器件要大得多。例如，與1.1eV的硅（Si）相比，SiC需要3.2電子伏特（eV）。與相同規模的硅器件相比，將寬帶隙器件中的電子激發到導帶中需要更高的能量，這可以轉換為更高的擊穿電壓性能。出于同樣的原因，碳化硅在失效之前可耐受更高的溫度（熱能），而且它在導熱性方面比硅器件好約3.5倍。實際上，這些特性能夠使寬帶隙器件在高電壓和高功率水平下進行高溫運行。

碳化硅最初實現的器件是簡單的二極管，但隨著材料技術的進步，現在已經可以制造結型場效應晶體管（JFET）、金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）甚至雙極型晶體管。圖1所示為一個具有垂直“溝槽”結構的SiC JFET單元，與具有橫向結構的GaN HEMT單元相比，SiC JFET單元具有非常低的導通電阻。

圖1：SiC和GaN JFET單元的典型結構。

盡管器件通常在零柵極電壓下也處于“導通”狀態，但與JFET共封裝的Si MOSFET“共源共柵”排列形成了一個混合器件，其柵極驅動電壓與Si MOSFET兼容，但仍保留了寬帶隙器件的優勢（圖2）。

圖2：Si MOSFET 和SiC JFET的“共源共柵”排列。

SiC與GaN的比較

由于成本、良率和可靠性等方面的原因，GaN器件比碳化硅面市要晚，而且市場采納的速度也慢。從理論上講，GaN具有更高的電子遷移率，因而能夠比SiC或Si具有更高的開關速度，但GaN導熱率低于Si，其功率密度有限。目前碳化硅器件通常的額定電壓值在650V至1.2kV左右，甚至更高，而氮化鎵則局限在650V左右。在650V同等電壓條件下，碳化硅器件的成本更低，成熟度更高。氮化鎵供應商寄希望于數據中心、電動汽車/混合動力汽車和光伏等較低電壓/功率市場，預期能夠實現更低的成本。然而，SiC也可以應用在這些市場領域，尤其是在雙向DC-DC轉換器和“圖騰柱功率因數校正（Totem Pole PFC）”（見下文）等應用。

碳化硅的供應鏈已經非常成熟，甚至可以從高服務分銷商（high-service distributor）的目錄中獲得產品，而氮化鎵器件則還沒有成為主流產品。來自IHS ［1］的數據顯示，在2025年前后，兩種器件的市場份額仍將保持類似目前的這種態勢，寬帶隙器件的市場總量將達到35億美元，GaN只占其中的5億美元左右。

即使氮化鎵額定電壓提高，由于碳化硅能夠像電感負載一樣承受電壓雪崩條件，因而SiC在工業系統中顯現很大優勢。制造商已有廣泛的數據證明碳化硅在應對過電壓應力方面具備高可靠性，而氮化鎵則僅僅規定不能超過最高電壓。

兩種器件之間更明顯的區別在于可用的封裝。碳化硅器件通常采用TO-247和T0-220封裝，使其可以在現有設計中“替代”MOSFET，具有“即換即用”的優勢。然而，氮化鎵器件制造商已經認識到，塑料封裝具有其內在的速度受限引線電感，這將阻礙器件實現其最佳潛在性能。因此，他們大多選擇表面貼裝、單源（single-source）、芯片級封裝，這就使氮化鎵器件限制于新的設計。在這些新的系統中，系統設計可以與GaN器件特性相匹配，采用更小的被動元件，特別是磁性元件和電容器。

具有諷刺意味的是，設計人員需要滿足EMI標準和保持dV/dt可控等許多實際限制，這些常常迫使他們采用柵極電阻以減慢開關速度。例如，對于SiC和GaN，100V / ns的dV/dt很容易實現，但是從i = C.dV / dt可以得知，針對大小僅為100pF的雜散電容就可產生10A的電流尖峰。類似，高di / dt值也會在連接電感上產生電壓尖峰。

發展現狀

共源共柵碳化硅器件通常可具備650V和1200V的額定電壓，電流高達85A，導通電阻約為30mΩ，而如果串聯JFET “超級共源共柵碳化硅” 器件，則可具有超過3.5kV的額定電壓值。單個器件在70A電流和45mΩ導通電阻左右時可支持高達1700V的電壓，這只是針對MOSFET，而不是JFET共源共柵。這表明與共源共柵不同，它們的內部體二極管相對較慢，并且在橋電路中等應用中需要時，經常必須串聯一個昂貴的快速外部二極管。

氮化鎵器件的額定電壓為650V，電流值約為60A，導通電阻約為25mΩ，與許多碳化硅器件相當，理論上能夠實現更快的開關速度。有趣的是，100V額定電壓下的GaN器件導通電阻并不比傳統的MOSFET有優勢，因此只依靠它們的速度優勢來抵消在此級別上大大高于商用MOSFET的成本。

展望未來，盡管IGBT和傳統MOSFET的市場銷售額將不斷增長，但HIS的數據清楚地表明寬帶隙器件在設計中會明顯增加，目前的爭論在于不同種類的寬帶隙器件如何主導特定的細分市場。圖3是功率器件依照功率和工作頻率區分的可能發展態勢，而GaN的發展狀況仍然取決于其成本的降低。

圖3：功率器件的未來可能發展態勢。

應用

寬帶隙器件的高溫性能以及在快速開關和低損耗方面的潛力，使其成為性能至關重要的軍事和工業應用的理想選擇。橋式電路廣泛應用于逆變器、焊接、D類音頻放大器、電機驅動等高功率應用，其主要優點見于“無橋圖騰柱PFC”電路（見圖4）。以前基于硅器件的電路一直受限于所用的MOSFET中體二極管的緩慢性能，通常導致被迫使用“臨界導通”模式，而這又反過來產生高峰值電流和高EMI。而如果使用共源共柵SiC JFET，可以采用“連續導通”模式，能夠提高效率，減小電感器尺寸，并減輕EMI問題的影響。 一個1.5kW和230VAC的示例電路展現出令人印象深刻的99.4％高效率［2］。

圖4：無橋圖騰柱PFC電路中的SiC器件。

穩健性考慮

在高功率應用中，瞬態短路和過壓等條件下的穩健性是最關心的問題，典型的共源共柵SiC JFET在這方面具備優良的特性，其中的高電流會引發“夾止（pinch-off）”效應，因而將電流限制在飽和水平。此外，由電流產生的熱效應能夠降低通道的電導率，從而可以實現自我限制的效果，所允許的高結溫度在這里也很有優勢。

對于過壓情況，SiC JFET的柵極-漏極二極管導通，導致電流通過柵極驅動電路，并使JFET通道導通以鉗位過壓。同樣，即使在相對較小的晶片尺寸下，SiC晶片所固有的高溫額定值也可以針對顯著的雪崩能級具備足夠的安全裕度。

United Silicon Carbide Inc等制造商已經證明了碳化硅產品的穩健性，合格的部件在150°C時加雪崩偏壓能夠耐受1000小時的工作。作為一個附加的可信賴指標，所有器件在最終測試中都會經受100％的雪崩［3］。