【導(dǎo)讀】幾十年來，硅一直主導(dǎo)著晶體管世界。但這種情況已在逐漸改變。由兩種或三種材料組成的化合物半導(dǎo)體已被開發(fā)出來，提供獨特的優(yōu)勢和卓越的特性。例如，有了化合物半導(dǎo)體，我們開發(fā)出了發(fā)光二極管(LED)。一種類型是由砷化鎵(GaAs)和磷砷化鎵(GaAsP)組成。其他的則使用銦和磷。
問題是，化合物半導(dǎo)體更難制造，也更貴。然而，與硅相比，它們具有顯著的優(yōu)勢。新的更高要求的應(yīng)用，如汽車電氣系統(tǒng)和電動汽車(EVs)，正發(fā)現(xiàn)化合物半導(dǎo)體能更好地滿足其嚴格的規(guī)格要求。
氮化鎵(GaN)和碳化硅(SiC)功率晶體管這兩種化合物半導(dǎo)體器件已作為方案出現(xiàn)。這些器件與長使用壽命的硅功率橫向擴散金屬氧化物半導(dǎo)體(LDMOS) MOSFET和超級結(jié)MOSFET競爭。GaN和SiC器件在某些方面是相似的，但也有很大的差異。本文對兩者進行了比較，并提供了一些實例，以助您為下一個設(shè)計做決定。
圖1.顯示了流行的高壓、大電流晶體管和其他器件的功率能力與開關(guān)頻率的關(guān)系，以及主要的應(yīng)用。
寬禁帶半導(dǎo)體
化合物半導(dǎo)體被稱為寬禁帶(WBG)器件。若不評介晶格結(jié)構(gòu)、能級和其他令人頭疼的半導(dǎo)體物理學(xué)，我們只說WBG的定義是一個試圖描述電流(電子)如何在化合物半導(dǎo)體中流動的模型。
WBG化合物半導(dǎo)體具有較高的電子遷移率和較高的帶隙能量，轉(zhuǎn)化為優(yōu)于硅的特性。由WBG化合物半導(dǎo)體制成的晶體管具有更高的擊穿電壓和對高溫的耐受性。這些器件在高壓和高功率應(yīng)用中比硅更有優(yōu)勢。
圖2. 雙裸片雙場效應(yīng)管(FET)級聯(lián)電路將GaN晶體管轉(zhuǎn)換為常關(guān)斷器件，實現(xiàn)了大功率開關(guān)電路中的標準增強型工作模式
與硅相比，WBG晶體管的開關(guān)速度也更快，可在更高的頻率下工作。更低的“導(dǎo)通”電阻意味著它們耗散的功率更小，從而提升能效。這種獨特的特性組合使這些器件對汽車應(yīng)用中一些最嚴苛要求的電路具有吸引力，特別是混合動力和電動車。
GaN和SiC晶體管正變得唾手可得，以應(yīng)對汽車電氣設(shè)備的挑戰(zhàn)。GaN和SiC器件的主要賣點是這些優(yōu)勢：
● 高電壓能力，有650 V、900 V和1200 V的器件。
● 更快的開關(guān)速度。
● 更高的工作溫度。
● 更低導(dǎo)通電阻，功率耗散最小，能效更高。
GaN晶體管
在射頻(RF)功率領(lǐng)域，GaN晶體管被發(fā)現(xiàn)有早期的商機。該材料的本質(zhì)使耗盡型場效應(yīng)晶體管(FET)得以發(fā)展。耗盡型(或D型)FET被稱為假態(tài)高電子遷移率晶體管(pHEMT)，是天然“導(dǎo)通”的器件；由于沒有門極控制輸入，存在一個自然的導(dǎo)通通道。門極輸入信號控制通道的導(dǎo)通，并導(dǎo)通和關(guān)斷該器件。
由于在開關(guān)應(yīng)用中，通常“關(guān)斷”的增強型(或E型)器件是首選，這導(dǎo)致了E型GaN器件的發(fā)展。首先是兩個FET器件的級聯(lián)(圖2)?，F(xiàn)在，標準的e型GaN器件已問世。它們可以在高達10兆赫頻率下進行開關(guān)，功率達幾十千瓦。
GaN器件被廣泛用于無線設(shè)備中，作為頻率高達100 GHz的功率放大器。一些主要的用例是蜂窩基站功率放大器、軍用雷達、衛(wèi)星發(fā)射器和通用射頻放大。然而，由于高壓(高達1,000 V)、高溫和快速開關(guān)，它們也被納入各種開關(guān)電源應(yīng)用，如DC-DC轉(zhuǎn)換器、逆變器和電池充電器。
SiC晶體管
SiC晶體管是天然的E型MOSFET。這些器件可在高達1 MHz的頻率下進行開關(guān)，其電壓和電流水平遠高于硅MOSFET。最大漏源電壓高達約1,800 V，電流能力為100安培。此外，SiC器件的導(dǎo)通電阻比硅MOSFET低得多，因而在所有開關(guān)電源應(yīng)用(SMPS設(shè)計)中的能效更高。一個關(guān)鍵的缺點是它們需要比其他MOSFET更高的門極驅(qū)動電壓，但隨著設(shè)計的改進，這不再是缺點。
SiC器件需要18至20伏的門極電壓驅(qū)動，導(dǎo)通具有低導(dǎo)通電阻的器件。標準的Si MOSFET只需要不到10伏的門極就能完全導(dǎo)通。此外，SiC器件需要一個-3至-5 V的門極驅(qū)動來切換到關(guān)斷狀態(tài)。不過，專用門極驅(qū)動IC已被開發(fā)出來滿足這一需要。SiC MOSFET通常比其他替代品更貴，但其高壓、高電流的能力使它們很適合用于汽車電源電路。
WBG晶體管的競爭
GaN和SiC器件都與其他成熟的半導(dǎo)體競爭，特別是硅LDMOS MOSFET、超級結(jié)MOSFET和IGBT。在許多應(yīng)用中，這些老的器件正逐漸被GaN和SiC晶體管所取代。
例如，在許多應(yīng)用中，IGBT正在被SiC器件取代。SiC器件可在更高的頻率下開關(guān)(100千赫+與20千赫)，從而允許減少任何電感或變壓器的尺寸和成本，同時提高能效。此外，SiC可以比GaN處理更大的電流。
總結(jié)GaN與SiC的比較，以下是重點：
● GaN的開關(guān)速度比Si快。
● SiC工作電壓比GaN更高。
● SiC需要高的門極驅(qū)動電壓。
● 超級結(jié)MOSFET正逐漸被GaN和SiC取代。SiC似乎是車載充電器(OBC)的最愛。隨著工程師們發(fā)現(xiàn)較新的器件并獲得使用經(jīng)驗，這種趨勢無疑將持續(xù)下去。
汽車應(yīng)用
許多功率電路和器件可用GaN和SiC進行設(shè)計而得到改善。最大的受益者之一是汽車電氣系統(tǒng)?，F(xiàn)代混合動力車和純電動車含有可使用這些器件的設(shè)備。其中一些流行的應(yīng)用是OBC、DC-DC轉(zhuǎn)換器、電機驅(qū)動器和激光雷達(LiDAR)。圖3指出了電動車中需要高功率開關(guān)晶體管的主要子系統(tǒng)。
圖3. 用于混合動力車和電動車的WBG車載充電器(OBC)。交流輸入經(jīng)過整流、功率因數(shù)校正(PFC)，然后進行DC-DC轉(zhuǎn)換(一個輸出用于給高壓電池充電，另一個用于給低壓電池充電)。
DC-DC轉(zhuǎn)換器。這是個電源電路，將高的電池電壓轉(zhuǎn)換為較低的電壓，以運行其他電氣設(shè)備?，F(xiàn)在電池的電壓范圍高達600伏或900伏。DC-DC轉(zhuǎn)換器將其降至48伏或12伏，或同時降至48伏和12伏，用于其他電子元件的運行(圖3)。在混合動力電動車和電動車(HEVEVs)中，DC-DC也可用于電池組和逆變器之間的高壓總線。
車載充電器(OBCs)。插電式HEVEV和EVs包含一個內(nèi)部電池充電器，可以連接到交流電源上。這樣就可以在家里充電，而不需要外部的AC? DC充電器(圖4)。
主驅(qū)電機驅(qū)動器。主驅(qū)電機是高輸出的交流電機，驅(qū)動車輛的車輪。驅(qū)動器是個逆變器，將電池電壓轉(zhuǎn)換為三相交流電，使電機運轉(zhuǎn)。
LiDAR。LiDAR指的是一種結(jié)合了光和雷達方法來探測和識別周圍物體的技術(shù)。它用脈沖紅外激光掃描360度的區(qū)域，并檢測反射光。這些信息被轉(zhuǎn)化為大約300米范圍內(nèi)的詳細三維圖像，分辨率為幾厘米。它的高分辨率使其成為車輛的理想傳感器，特別是自動駕駛，以提高對附近物體的識別能力。LiDAR裝置在12-24伏的直流電壓范圍內(nèi)工作，該電壓來自于一個DC?DC轉(zhuǎn)換器。
圖4. 一個典型的DC-DC轉(zhuǎn)換器用于將高電池電壓轉(zhuǎn)換為12伏和/或48伏。高壓電橋中使用的IGBT正逐漸被SiC MOSFET所取代。
由于GaN和SiC晶體管具有高電壓、大電流和快速開關(guān)的特點，為汽車電氣設(shè)計人員提供了靈活和更簡單的設(shè)計以及卓越的性能。
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