尽管当今半导体技术正在蓬勃发展，但仍有更多设备和系统在使用传统的电力电子系统生产。我们必须确保让各种设备和技术的制造可持续进行，同时还要牢记不同的安全和环境规范以及提高效率。
随着碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)等宽禁带(WBG)器件的推出，电力电子技术发生了翻天覆地的变化。事实上，这些材料的特性使其特别适合在高压和高开关频率下所运行的应用，并能提供比最先进的硅基功率器件更好的效率和散热管理。
SiC和GaN等宽禁带器件具有哪些重要优势并能在业界引起哪些重要革新？3月30日，AspenCore将在上海举办国际集成电路展览会暨研讨会（IIC Shanghai 2023），同期举办的“第25届高效电源管理及宽禁带半导体技术应用论坛”邀请到国内外多家优秀宽禁带功率半导体器件提供商，欢迎感兴趣的朋友点击这里报名参会，并到场交流。
PowerAmerica组织了主题为“SiC和GaN：未来就是现在”的宽禁带半导体研讨会。PowerAmerica执行董事兼首席技术官Victor Veliadis和其他行业领导者就SiC和GaN功率半导体及应用的最新业务和技术发表了演讲。
PowerAmerica是一个由行业、大学和国家实验室组成的会员联盟，其目标是加速宽禁带电力电子技术的采用。
“宽禁带公司涵盖了整个生态系统，其中许多公司涉及SiC和GaN的晶圆厂和材料以及器件、电路和模块。”Veliadis表示，“然后，有一些制造工业系统的公司基本上将碳化硅插入到他们的系统中，进而从效率、重量减轻、体积小和其他优势中受益。我们还隶属于许多大学。此外，我们与白宫和能源部密切合作，向他们通报不断扩大的宽禁带市场。因此，在过去三年中，我们使用310万美元的会员资金完成了17个项目，这些项目是由会员选择和执行的。”
纳微半导体(Navitas Semiconductor)的联合创始人兼首席技术官/首席运营官Dan Kinzer谈到了GaN的效率、可靠性和自主性。根据Navitas和其他发言者的说法，GaN和SiC是下一次电力电子革命的未来。
“我们花了很多时间进行研发，与台积电合作开发我们的功率器件，并开发我们的工艺设计套件。”Kinzer表示。
图1：GaN机遇。(图片来源：Navitas Semiconductor)
据Navitas称，SiC是1,200V及以上以及100kW以上应用的绝佳解决方案，在这些应用中，横向GaN技术更难以满足这些功率水平(图1)。
GaN解决方案则是横向的，可实现电路集成。它们可以在非常高的开关频率下工作。据Navitas称，GaN最高可达40MHz。
“这当然不是开关频率的限制——通常是一些其他系统元器件，最有可能是磁性元件，成为关键约束。”Kinzer指出。
“GaN的优势在于能够在硅衬底上形成非常薄的薄膜。”他补充道，“所以它是一种低成本的衬底，并且可以大量使用。还有相当多的硅晶圆厂正在寻找迁移策略，因为GaN可以使用老一代的半导体制造技术和设备。”
要获得蓬勃发展的业务和扩大客户范围，需要开拓多个市场。其中之一是快速充电器，主要低于300W，因为这在目前已售出的约6000万台设备中占很大比例。小米等公司推出了120W适配器，可以比以前的技术更快地为各种设备充电。
从环境角度来看，GaN器件每年可为电动汽车减少多达2.5Gt的二氧化碳排放量。
“与所有其他用途一起，我们看到电动汽车的采用正在加速。”Kinzer指出，“我们是一家经过认证的碳中和企业，我们是第一家获得此认证的半导体制造商。因此，我们产品生产过程中所释放的任何碳都已被抵消。单片集成对这些结果给予了极大的帮助，随着时间的推移，我们预计会看到集成获得更多回报。”
英飞凌科技副总裁Peter Friedrichs作为主讲嘉宾出席了此次大会。他指出，包括数字化和脱碳在内的全球大趋势，需要使用SiC和GaN等宽禁带器件(图2)。由于其特殊的技术特性，它们可以同时提供最大的性能和能源效率。
“目前，我们没有看到有哪个单独的功率半导体应用宽禁带不会对其时间线产生影响，这不仅仅是一项学术或技术活动。”Friedrichs表示，“此外，如果你看看我们今天所看到的大趋势，我们确实看到了巨大的增长，不仅在电动汽车领域，而且在广泛的工业应用中，尤其是那些需要让电动汽车像电动汽车充电基础设施或通过可再生能源产生绿色电能一样运行的应用。”
图2：英飞凌将用宽禁带技术补充其每个解决方案。(图片来源：英飞凌科技)
“我们的分析表明，太阳能发电、电动汽车充电、电源和不间断电源(UPS)已经达到或超过了这个临界点。”Friedrichs指出。
“我们预计，从大约2025年开始，碳化硅的使用量将近乎爆炸式增长，因为进一步的应用将急剧增加，例如在电动汽车、牵引列车推进或大规模存储系统中。”他补充说。
在炎热的夏季，太阳能在能源结构中的份额达到了创纪录水平。但是，如果没有阳光怎么办？双向充电可实现将光伏系统的太阳能储存在电动汽车和家庭的电池中，并在夜间或需要运行家用电器时将其供应回家庭电网。这种处理方式可以使我们保护环境，节省资金，并会进一步激励我们过渡到无排放的电动汽车。英飞凌和台达电子开发了集太阳能、储能和电动汽车充电于一体的三合一系统。得益于双向逆变器，电动汽车不仅可以充电，还可以用作缓冲存储器或家庭应急备用电源。越来越多的汽车已配备这一功能。展望未来，双向能量流也可用于实现新的车到家和车到电网解决方案。
今天，我们非常清楚我们可以对节能潜力产生什么样的影响，但这是真正需要时间才能将行业从现有的基于硅的平台转变为SiC和电机驱动端点的应用之一，这也是当今工业电力电子的最大部分。
功率密度现已显著提高，而与SiC半导体交易相关的整体损失减少了三分之二。Friedrichs还指出，噪声水平也要低得多，这一点非常重要。对于住宅应用或任何靠近住宅的安装，这一点尤为重要。根据Friedrichs的说法，UPS是另一个产品示例，在该产品中，可以在运营费用和安装成本中看到使用SiC的优势。
安森美(onsemi)电源解决方案集团部门高级总监兼CTO Pavel Freundlich就该公司宽禁带产品做了主题演讲。
onsemi专注于工业和汽车领域。其工业部分的主要目标是专注于太阳能转换的储能和充电方法。在汽车方面，其主要关注点是使用SiC的电动汽车牵引逆变器。
“如果我们看一下我们自己的收入，就会发现有三分之二来自汽车和工业。”Freundlich表示，“为什么是汽车和工业？我们相信它们是21世纪的经济引擎。这就是为什么在过去，在20世纪，该行业的特点是能源集中，并采用远距离输电和配电，而不是非常有效的消耗。因此，能源主要来自化石燃料，包括汽油动力汽车、内燃机和其他耗能大户。结果当然是产生碳排放。如果要将全球变暖控制在1.5℃，我们就必须立即采取行动。所以这真的是机不可失，而我们的解决方案适用于汽车和工业领域。这就是我们对未来的看法。我们没有将能源生产集中，而是转向了本地的可再生能源，这消除或显著减少了长距离配电，也就减少了我们所遭受的损耗。然后，就消耗而言，我们必须要做到高效，因此就必须使逆变器可以高效地转换，并采用高效的电机，以及工业自动化。”
随着越来越多的汽车制造商加大对电动汽车开发的投资，碳化硅对汽车行业的重要性将越来越高。它提供了更高的电压、更高的功率密度和更高的效率。这些优势中的每一个都有助于降低每终端成本，从而缩短充电时间并延长充电间隔。
图3：SiC领导地位——从衬底到系统。(图片来源：onsemi)
图4：电动汽车充电站模块。(图片来源：onsemi)
“我们的碳化硅解决方案适用于整个市场的所有电动汽车类型(图3，图4)。”Freundlich表示，“除了牵引逆变器和电动汽车，该解决方案还可以应用于广泛的用例，例如AC/DC或DC/DC电源转换器、高速列车、光伏逆变器、医疗设备、电机驱动、电网输电和固态变压器。”
我们不仅应该使续航里程更长的电动汽车成为标准，而且如果我们希望道路上的每辆车都是电动的，电池也应该做到更便宜并且充电更快。随着硅由于其更大的禁带宽度、更强的击穿电场和更高的导热性而接近其理论极限，该行业正在转向将SiC用于电力电子。与硅基元件相比，SiC基MOSFET具有更低的损耗、更高的开关频率和更高的功率密度。
SiC具有很强的物理键合，这有助于实现其出色的机械、化学和热稳定性。然而，制造SiC晶圆是一个困难的过程。并非每个晶圆都适用于二极管和MOSFET等终端产品。
因此，即使业界为达到200mm晶圆直径做出了巨大努力，但也将很多重点放在了改进和优化150mm晶圆的技术上。
即使在200mm晶圆成为行业标准之前仍有一些挑战需要解决，但该行业已经开始转向更大直径的SiC晶圆。与相同尺寸的硅晶圆相比，SiC晶圆的生产本质上更具挑战性。
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（原文刊登于EDN姊妹网站Power Electronics News，参考链接：Creating Future-Ready Devices with SiC and GaN，由Franklin Zhao编译。）
本文为《电子技术设计》2023年2月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里。
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