什么情况下应该从硅片转换到宽带隙技术？

作者：英飞凌科技功率半导体和系统工程部杰出工程师Gerald Deboy 博士

自从宽带隙 (WBG) 器件诞生以来，为功率变换应用带来了一股令人激动的浪潮。但是，在什么情况下从硅片转换到宽带隙技术才有意义呢？迄今为止，屏蔽栅极 MOSFET、超级结器件和 IGBT等基于硅的功率器件已经很好地在业界得到大规模应用。这些器件在品质因数 (FoM) 方面不断改进，加上在拓扑架构和开关机理等方面的进步，使工程师能够实现更高的系统效率。工程师坚持继续使用硅片的最常见原因可能是在这方面拥有丰富的知识和经验。然而，在某些情况下，下一代电源、逆变器和光伏系统的性能要求使WBG器件应用成为首选。

在中压应用中，英飞凌的 OptiMOS? 能够提供业界更佳的品质因数。开关电源 (SMPS)、逆变器和电池供电马达等需要100～200V MOSFET 的应用已经在使用这些高频优化器件。然而，随着人工智能 (AI) 协处理器等需要巨大电流的边缘运算应用越来越广泛，对提升电源供电效率和瞬态负载响应能力提出了要求。 CoolGaN?可提供明显优于任何同类中压硅器件的 FoM以及零反向恢复电荷，这使其成为半桥电路的完美选择。由于其晶体平面生长特性，使封装能够实现采用顶部散热的创新机制。在 54V 输入/12V 输出的降压变换器中，基于 CoolGaN? 的设计可提供 15A 电流，在500 kHz 开关频率时达到超过 96.5% 的峰值效率。这比同等OptiMOS? 5 100V在100 kHz开关频率下效率提高了1%。

在400～650V范围内的高电压应用也受会益于 CoolGaN?器件，通过利用更高开关频率而实现的效率提升可提高功率密度，这种特性在空间和重量越来越宝贵的通讯和服务器电源中尤为重要。对 3kW/12V 电源的复杂帕累托分析（Pareto analysis）表明，CoolGaN? 技术可以在大约 67W/in3 的功率密度下提供比超级结 CoolMOS? 器件高 0.7% 的效率。这里还要注意的一点是，第一代 GaN 器件目前正处于其技术路线图的开始阶段。研究表明，就单位面积的通态电阻而言，我们距离其理论极限值还有一个数量级。

TRENCHSTOP? IGBT 长期以来一直是需要 1200V 开关应用的主力，并已经成为光伏逆变器、SMPS 和汽车逆变器等应用的重要产品。与 MOSFET 一样，每一代新器件都进一步改善了 VCEsat 之间的权衡。然而，随着碳化硅（SiC）技术的出现，CoolSiC? 等坚固的沟槽 MOSFET在传导和开关损耗方面都具有明显优势，因而正在上述应用中迅速得到认可。硬开关图腾柱功率因数校正电路(CCM PFC) 就是一个例子。CoolSiC?通常可在 100°C 左右温度下运行，随温度变化的相对平坦 RDS(on) 意味着 94mΩ 器件可以在 3.3kW CCM 图腾柱 PFC 中实现 99% 的效率。

总体而言，CoolGaN? 和 CoolSiC? 都能够提供更好的 FoM，并且可实现比同类硅器件更高的效率。但是，这些并不是唯一需要考虑的因素，价格同样很重要，采用新技术带来的相关风险也是如此。GaN 和 SiC 都具有不同的驱动和工作特性，为了充分发挥这些技术的潜力，可能还需要新的拓扑架构或控制技术。

对于服务器等应用中的图腾柱 PFC， SiC 和 GaN 器件均可以使用。由于SiC器件的 RDS(on) 温度相关性非常低，因此可首选用于 CCM 控制，而 GaN 则在谐振图腾柱应用中具有优势。在传统升压 PFC 中，硅 MOSFET 与 WBG 器件相比，能够以更低成本实现理想的系统效率，因而硅 MOSFET仍然是最佳选择。当功率密度非常重要时，尤其是在轻负载情况下，CoolGaN? 具有更低的栅极驱动损耗，使其成为更好的选择对象，而CoolSiC? 则是次优选择，对于服务器和电信应用的高频 LLC 设计而言尤其如此。在汽车应用领域，我们预计车载充电器、DC-DC 转换器和主逆变器等应用对 SiC MOSFET 的需求会越来越大。

设计人员喜欢更多的选择方案来做出最佳设计，为了满足这些需求，英飞凌正在开发多种WBG器件来补充其业界领先的硅技术，使系统设计人员保留某些硅技术的同时，可改进产品设计。然而，当时机成熟时，WBG 解决方案将能够把电源设计推向前所未有的高效率和高功率密度。

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