SiC和GaN vs. IGBTs:即将到来的霸权争夺战

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经过多年的实验室研发,用于集成电路的碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)等复合半导体材料在处理电力方面的作用越来越大。这些宽频带隙(WBG)器件已经准备好在需要在高电压和高温下工作的同时展示高效率的应用中开辟一个利基市场。他们准备接管基于绝缘栅双极晶体管(IGBT)技术的设计。
 
一个需要克服的重要因素是相对较高的价格,制造商正试图通过使用更大的晶圆来解决这个问题。另一个问题涉及阈值电压水平的不稳定性,这是由于纯SiC和生长的SiO2之间存在一个混乱的过渡区域,从而抑制了载流子的迁移。然而,这里也正在取得进展。
 
尽管如此,IGBT技术并没有坐以待发,各公司都在寻求改进。IGBTs能够以低通态导通损耗和良好控制的开关时间来阻挡高压。但它们在提供低通态传导损耗的情况下切换的速度有限。这就需要昂贵和大规模的热管理方法,并限制了电力转换系统的效率。
 
然而,IGBT开发人员正忙于努力克服这些性能挑战。追求IGBT技术的主要公司包括富士通、英飞凌、Microsemi和semkron。
 
瞄准电动汽车
碳化硅和氮化镓两种最有利可图的潜在应用是电动汽车和混合动力电动汽车(ev和hev)。一些特定的工业应用也在其中。SiC和GaN越来越受欢迎的原因有很多:它们工作在更高的电压和温度下,更加坚固耐用,使用寿命更长,开关速度比传统半导体器件快得多。
1. semkron的混合SiC电源模块通过使用迷你kiip减少了50%的功率损耗,迷你kiip是一种利用弹簧触点提高成本效益的无焊料PCB组装方法。
迷你kiip封装据说可以优化SiC芯片和散热器之间的热阻。这使得功率密度比现有解决方案增加了30%以上。
 
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2. 这个1.2 kv /600- SiC功率模块来自Rohm,它将冲头封装在一个62×152×27毫米的g型机箱中。
在另一方面,罗姆采取了一种不同的方法,开发了一种优化的热辐射方法。它可以创建1.2 kv /400-A (BSM400D12P3G002)和1.2 kv /600-A (BSM600D12P3G001) SiC电源模块(如下图所示)。
 
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GaN生产进展
高效能量转化公司(EPC)领袖增强型GaN-on-silicon电力场效应晶体管、升级与EPC2045 GaN性能同时降低其现成的成本(7 mΩ,100 V)和EPC2047伊根场效应晶体管(10 mΩ,200 V)。应用包括单级48伏负载开放式机架服务器架构、负载点转换器、USB Type-C、激光雷达、无线充电、多级交直流电源、机器人和太阳能微逆变器。
 
与上一代的EPC2001C相比,EPC2045可以将模具尺寸减半。EPC2047还将尺寸减半,使其比同等额定硅mosfet小15倍。
 
GaN也是一种很有前途的汽车和工业应用的动力技术。法国初创公司Exagan正与X-Fab合作,开发一种在200毫米晶圆上大规模生产GaN集成电路的工艺。该公司最近宣布,它解决了与探测、材料应力和工艺集成有关的问题,并准备帮助GaN芯片制造商大规模生产用于各种应用的GaN设备。
 
3.这张图比较了GaN系统的GS66508T E-HEMT和Cree (Wolfspeed) C3M0065090J SiC MOSFET之间的开关损耗。(资料来源:《GaN E-HEMTs在电力开关应用中的性能比较》,《博多电力系统》2017年6月27日)。
GaN产品的其他主要供应商有GaN Systems、NXP半导体和Wolfspeed。GaN系统的增强模式高电子能动晶体管(E-HEMT)技术被证明在100 kHz和200 kHz频率下比竞争对手的SiC MOSFET具有更低的开关损耗(如下图所示)。
 
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