启蒙到量产 | 宽禁带如何从顶流变主流

近几年，中国碳化硅（SiC）项目可谓遍地开花，据中国电子材料行业协会半导体材料分会统计，截至今年5月，我国从事SiC衬底研制的企业已经有30家，还不包括中国电科46所、硅酸盐所、浙江大学和天津理工大学等纯研究机构。几年来，这些单位的规划总投资已经超过300亿元，总产能超过180万片/年。专家预计，2022年，此类产品成本逐步下降之后，国内产品有望实现部分国产替代。

宽禁带（WBG）半导体包括碳化硅还有氮化镓（GaN），其启蒙阶段的“顶流”喧嚣已渐进尾声，正在进入量产启动平台。器件有了，怎么用就是下一阶段要考虑的主要问题了。

急于求成，事半功倍

图源 | Infineon

毋庸置疑，WBG器件是硅器件的有益补充，市场上已经很容易买到。特别是在较高电压下，工程师们很愿意在他们的产品中使用高性能SiC整流器及MOSFET和GaN器件。不过，WBG技术主流化的道路比预期的更艰难。

TSC应用工程总监Kevin Parmenter回忆道：“差不多10年前，我曾与一家由工艺技术和半导体物理方面的知名专家组成的创业公司合作。那时GaN技术很新，前景令人惊讶：高速器件意味着工程师可以使用小10倍的磁性元件！他们将能实现5MHz的开关频率，并获得99.9%的效率！”

他说，投资者急于见到回报，在其敦促下，这家公司想尽快将器件推向市场。他们认为，将明天的技术融入80年代的封装，客户就可以将新器件插入现有设计中。这个想法在理论上是合乎逻辑的，但实际上它没有奏效。

为什么会这样？因为缺少一个生态环境，也缺乏客户培训。由于WBG器件开关边沿时间不适合采用高寄生性封装，因此有必要对工程师进行PCB布局和阻抗匹配方面的培训，还必须考虑和构建控制技术等。

与所有新公司一样，长期的规划需要考验投资者的耐心，WBG技术更是这样。

好消息是，使用GaN无桥图腾柱拓扑的Titanium服务器电源，以及GaN+数字控制的AC-DC和DC-DC电源转换器都已出现。我们看到，将WBG技术应用到产品中的好处和总体价值已超过了它所涉及的风险。而且，生态系统已开始建立起来，随着时间的推移，封装或根本没有封装都能够发挥GaN的优势。

今天，GaN和SiC器件的生产能力正在迅速扩大，测量GaN和SiC电路超快特性的测试设备也有了很大改进，设计人员也开始使用数字混合信号控制器对WBG器件进行优化和编程。总体上看，WBG技术正在发展成为具有完整功能模块的产品，甚至还集成了控制器。

选择GaN或SiC器件有诀窍

每位工程师都想要一个完美的开关，它能在开和关两种状态之间瞬间切换，而且在两种状态下都不会有损耗。要在切换时实现尽可能低的损耗，依赖于具有多种特性的开关，包括无限的击穿电压，关闭时不允许任何电流流动，打开时不维持其间的电压差，且开关非常迅速。

事实上，这样的开关是不存在的。真正的开关击穿电压是有限的，关闭时有泄漏电流，打开时维持电压，状态之间切换需要一定时间。所有真正的开关总是会消耗一些能量，无论是开启还是关断。

不过，新技术拓宽了开关选项，特别是对高压开关器件。以SiC和GaN为代表的技术为工程师改进电路提供了各种选择，使我们更接近理想开关。与以往一样，新技术也会为这些优势付出代价，但这往往会被电路设计中其他部分的节省以及性能提高的商业价值所抵消。

例如，硅晶圆的生长成本要比SiC晶圆低得多，因为其制造工艺经过了量产的优化。切割、研磨和抛光SiC晶圆比硅需要更长的时间，但这些额外费用是值得的，因为宽禁带材料具有更有用的特性。

Avnet高级功率技术应用工程师Udo Blaga认为，选择GaN或SiC器件需要在其性能、成本、工作要求、尺寸、热效率和可用性之间进行设计选择的权衡。而这样的的问题几乎可以自己解决。

他说：“在3欧元插头电源中，用SiC MOSFET代替硅MOSFET显然没有意义。但用SiC二极管代替硅外延二极管来提高电源功率因数校正（PFC）很值得。这将提高其转换效率1%或2%，也可提供散热和设计方面的额外好处。”

在某些情况下，用SiC MOSFET代替硅器件需要调整电路的驱动级，以提供更高的栅极开启电压，并处理有时可能为负的栅极关断电压。匹配所需的驱动器级和晶体管的栅极驱动器件已有成品。做出这种改变的好处是，它将使设计的开关频率增加三到五倍。这样就可以通过使用较小的磁性元件和其他无源元件来节省空间。

WBG的高工作温度范围对某些工业和汽车应用可能是一个有吸引力的选择。但是，这些市场对新技术的使用持保守态度，因为他们需要新技术有很长的使用寿命。一些SiC器件供应商通过引入诸如“动态H3TRB高温、高湿反向偏压”等试验来解决这一问题，以证明其器件的质量与传统硅替代品相似。

目前，GaN技术主要用于制造650V单相电网供电设备，如开关电源、充电器和适配器、高压PFC、DC-DC和DC-AC转换器、UPS系统和小型太阳能逆变器等。

各种器件类型的适当工作模式

Udo Blaga还给出了一种选择不同类型半导体器件和材料的简单方法——根据工作条件选择器件。

以H桥AC-DC转换器设计为例。DC母线电压为370V，变压器电流约为3A，开关频率为15至25kHz。出于安全考虑，选择了一种能够维持650V开关和至少30A的连续漏极电流的元件，没有使用任何胶连逻辑，计划使用硅IGBT、硅超结（SJ）、SiC或GaN器件。

简单的100W辅助电源SiC MOSFET示例

凭借工作条件，回答关于这些条件的问题即可做出选择：

• 电路设计是否会以低于20kHz频率开关？

• 功率水平是否高于3kW？

• 如果低成本很重要，器件是否低成本？

• 是否由三相电网供电？

如果上述问题的答案都是“是”，那么最好的选择就是硅IGBT。

如果设计不符合这些标准，那么回答下一组问题以缩小选择范围：

• 开关频率是否在20kHz和100kHz之间？

• 是否在各种线路和负载条件下运行？

• 是否需要以中等成本实现高效率？

• 是否由单相电网供电？

如果设计符合这些特性，那么最好的器件选择是硅超级结MOSFET。

如果设计不符合这些标准，可以继续回答问题：

• 开关频率是否高于100kHz？

• 是否在各种线路和负载条件下运行？

• 这是一种高功率设计，运行功率高达几千瓦，需要高效率吗？

• 是否允许功率双向流动？

• 是否由三相电网供电？

如果这些条件适用，那么最佳的器件选择是SiC MOSFET。

如果还没有找到需要的器件，应该回答以下问题：

• 开关频率是否会高于100kHz且在MHz范围内？

• 是否能在各种线路和负载条件下运行？

• 是否应支持中等功率水平，高达几百瓦，具有最大功率密度和效率？

• 是否由单相电网供电？

如果设计符合这些标准，最好的选择应该是GaN MOSFET。

另一种方法是根据目标应用选择器件。一般来说，250W以上的电机驱动器、3kW以上的PFC电路、5kW以上的太阳能/风能逆变器以及UPS和焊接H桥逆变器应使用硅IGBT设计。

而对于250W以下的电机驱动器、75W和3kW之间的DC-DC转换器、低中功率PFC电路和LCC转换器、正激转换器电源、通用输入AC-DC反激电路和太阳能微型逆变器，应使用硅超级结MOSFET。

更高功率的设计，如3kW以上的功率因数校正电路、5kW以上的太阳能逆变器，电动汽车和车载充电器，以及一些不间断电源和嵌入式功率因数校正电路，应该使用SiC MOSFET。

最后，由单相电网线供电、工作电压低于650V、功率75W至750W，需要小巧、凉爽和便携的应用应可以用GaN MOSFET设计。

设计选择有很多，如性能、成本、工作要求、尺寸、热效率、可用性等。使用SiC和GaN技术会引入更多选项，使这些权衡变得更加复杂，但在某些应用中，它可以使设计更接近完美开关的特性。

越过GaN驱动的陷阱

自从十多年前第一批问世以来，在电力电子领域，GaN晶体管相对于硅MOSFET的优势已经尽人皆知。事实上，GaN材料特性为给定导通电阻提供了更低寄生电容、固有的快速开关瞬态、反向恢复和高温工作能力。这些优异性能似乎是高性能功率转换器的完美体现，如更高的功效、更高的功率密度、潜在的无散热片/风扇设计等。然而，为了获得最佳的GaN技术性能，需要对栅极驱动进行优化，在严格的电压和时间窗口内控制栅极源电压。对于典型半桥，这意味着在高电压（如200V）和高dV/dt（如100V/ns）时，高压侧栅源电压会上下浮动。如此严格的工作条件要求有优化和专用的栅极驱动技术，因为只有利用专用栅极驱动器才能实现GaN的真实性能。

MinDCet首席技术官Jef Thone推荐用MDC901 GaN栅极驱动器来避免掉进GaN驱动沿途的陷阱，实现以下一些功能。

高转换率

GaN功率级的一大优点是快速开关能力，可以实现非常低的开关损耗。低侧和高侧晶体管之间的快速开关可导致负载电流非常快地交替，从而限制总线电压解耦及其寄生总线环路电感。MDC901具有独立上拉和下拉路径，可以调节输出级的转换速率，同时保持GaN晶体管的低阻抗下拉路径，以避免寄生导通。

死区时间

半桥中的死区时间是晶体管关断和互补桥晶体管导通之间的时间。为了获得最佳效率，需要针对给定应用调整死区时间。MDC901具有单独死区时间控制功能，可通过一系列数字输入来开/关，对给定应用死区时间进行静态或动态调整。此外，故障安全工作模式可基于感测GaN栅极电压来设置死区时间。

栅极过充

在非隔离式应用中，栅极驱动器通过低压电源自举供电。该技术通过快速高压二极管为高压侧栅极驱动电源的去耦电容充电。感应电压尖峰或非零死区时间将导致负半桥输出电压，可能出现对GaN栅极有害的过充电。MDC901通过在自举二极管后的高侧和低侧域中放置全浮置稳压器，避免负电压工作期间栅极过充电的风险。这将产生一个定义良好且可靠保护的栅极驱动器电压。

负输出电压运行

输出驱动电压的负摆幅取决于寄生源电感和功率转换器的负载条件，它很难预测。MDC901专门设计的电平转换单元和浮动电源允许负输出电压运行至-4V，即使在高感应电流下也可实现精确的栅极控制。

高占空比运行

栅极驱动器的自举是在半桥中提供电荷以控制高压侧晶体管的简单而有效的方法。不过，前置驱动系统中所需的支持电路的偏置会导致自举电压泄漏，需要设置可维持的最大占空比或限制可使用的调制深度。对于高占空比应用（如电机驱动器和D类放大器），必须在较长时间内保持高压侧开启状态。该功能在MDC901中通过集成电荷泵实现，可在100%占空比条件下补偿DC偏置。

为了发挥GaN功率级的真正优点，需要有一个专门用于GaN晶体管的优化栅极驱动器。这样，GaN的功能才可以被推到极限，产生尽可能高的性能，从而提供最大的技术和投资回报。

写在最后

主流化渐行渐近

WBG技术的应用前景非常光明，用它开发的新产品会有巨大的增长潜力。在硅双极结晶体管（Bipolar Junction Transistor，BJT）让位给开关硅MOSFET 40年之后，我们看到了电力电子技术的“第二次革命”，而WBG正是这场革命的催化剂。

庄稼永远不会在一个星期内收获，必须先买一块土地，购买种子并播种，持之以恒地施肥、浇水，秋季才能收获粮食。这就是再简单不过的“农场法则”。WBG也是如此！