131 1300 0010
幾十年來，硅一直主導著晶體管世界，但這種情況正在逐漸發生變化。已經開發出由兩種或三種材料制成的化合物半導體，并具有獨特的優勢和卓越的特性。例如，化合物半導體為我們提供了?LED：一種是由砷化鎵 (GaAs) 和砷化鎵和磷 (GaAsP) 的混合物組成；其他人使用銦和磷。
雖然化合物半導體更難制造且更昂貴，但與硅相比，它們具有顯著的優勢。汽車電氣系統和電動汽車 (EV) 等新的、要求更高的應用的設計人員發現，化合物半導體更能滿足其嚴格的規范。
近年來，研究人員和技術人員一直在共同努力，尋找優化器件能效和提高器件性能的解決方案。盡管微控制器在數碼設備上已經達到了非凡的節能水平，但是在功率器件中使用新材料也取得了最佳效果。不久前，人們認為SiC和GaN器件的應用相當困難。但2018年，這些技術的優勢開始應用到現實生活中（比如采用SiC MOSFET的Tesla Model3主逆變器）。這項新技術成功的原因是什么？
SiC和GaN被稱為“寬帶隙半導體”（WBG），因為將這些材料的電子從價帶擴散到導帶需要能量: 其中硅（Silicon）所需能量為1.1eV，氮化硅（SiC）則需3.3eV，氮化鎵（GaN）則需3.4eV. 這就帶來了更高的擊穿電壓，在某些應用中可高到1200-1700V。通過合適的生產工藝，WBG展現出以下優點：
●極低的內部電阻，與同類硅器件相比，效率可提高70%
●低電阻可改善熱性能（最高工作溫度增加了）和散熱，并可獲得更高的功率密度
●散熱得到優化，與同類硅器件相比，就可以采用更簡單的封裝、尺寸和重量也大大減少
●極短的關斷時間（GaN器件接近于零）能夠工作于非常高的開關頻率，而且工作溫度也更低
作為解決方案出現的兩種化合物半導體器件是氮化鎵和碳化硅功率晶體管。這些器件與壽命長的硅功率 LDMOS?MOSFET?和超級結 MOSFET 競爭。GaN 和 SiC 器件在某些方面相似，但有顯著差異。本文將兩者進行比較并提供信息以幫助您為下一個設計做出決定。
圖 1：流行的高壓、大電流晶體管和其他設備以及主要應用的功率能力與開關頻率的關系
寬帶隙半導體
化合物半導體被稱為寬帶隙器件。在不訴諸晶格結構、能級和其他令人麻木的半導體物理學的情況下，我們只想說 WBG 的定義試圖描述電流（電子）如何在化合物半導體中流動。
WBG 化合物半導體具有高電子遷移率和更高的帶隙能量，轉化為優于硅的特性。由 WBG 化合物半導體制成的晶體管具有更高的擊穿電壓和更大的高溫耐受性。對于高壓和高功率應用，這些器件優于硅等效器件。
圖 2：雙芯片雙 FET 共源共柵電路將 GaN 晶體管轉換為常態“關斷”器件，實現高功率開關電路中標準的增強型操作模式。
WBG 晶體管的開關速度也更快，并且可以在比硅更高的頻率下運行。較低的導通電阻意味著它們消耗的功率較少，從而提高效率。這種獨特的特性組合使這些器件對汽車應用中使用的一些最苛刻的電路具有吸引力，尤其是混合動力電動汽車 (HEV) 和 EV。
GaN 和 SiC 晶體管正變得越來越容易用于解決汽車電子設備的挑戰。GaN 和 SiC 器件的關鍵要點是以下優勢：
GaN 晶體管在射頻?(RF) 功率領域找到了早期的利基。材料的性質導致了耗盡型（d 型）場效應晶體管（FET）的發展。d 型 FET 被稱為假晶高電子遷移率晶體管 (pHEMT)，自然是“導通”器件；沒有柵極控制輸入，存在自然傳導通道。柵極輸入信號控制通道導通并打開和關閉器件。
由于通常“關閉”的增強模式（e 模式）器件在開關應用中是首選，這導致了 e 模式 GaN 器件的開發。第一個是兩個 FET 器件的級聯（圖 2）；現在，可以使用標準的 e-mode GaN 器件。它們可以在高達 10 MHz 和高達數十千瓦的頻率下進行切換。
碳化硅晶體管
SiC 晶體管是自然的 e-mode MOSFET。這些器件可以在遠高于硅 MOSFET 的電壓和電流水平下以高達 1 MHz 的頻率進行開關。最大漏源電壓高達約 1,800 V，電流能力可達 100 A。此外，SiC 器件的導通電阻遠低于硅 MOSFET，使其在所有開關電源應用中的效率更高。一個主要缺點是它們需要比其他 MOSFET 更高的柵極驅動電壓，盡管隨著設計的改進，這種情況正在發生變化。
SiC 器件需要 18 到 20 V 的柵極驅動電壓來開啟具有低導通電阻的器件。標準 Si MOSFET 需要小于 10 V 的柵極才能完全導通。此外，SiC 器件需要 –3- 至 –5-V?柵極驅動器以切換到“關閉”狀態。然而，已經開發了特殊的柵極驅動 IC 來滿足這種需求。碳化硅 MOSFET 通常比其他替代品成本更高，但它們的高電壓、高電流能力使其非常適合汽車電源電路。
WBG晶體管競賽
GaN 和 SiC 器件都與其他成熟的半導體競爭，特別是 Si LDMOS MOSFET、超級結 MOSFET 和?IGBT。在許多應用中，這些較舊的器件正逐漸被 GaN 和 SiC 晶體管所取代。
例如，在許多應用中，IGBT 正在被 SiC 器件取代。SiC 器件可以在更高的頻率（100 kHz 或更高，相對于 20 kHz）進行開關，從而在提高效率的同時減小任何電感器或變壓器的尺寸和成本。SiC 還可以處理比 GaN 更大的電流。
總結 GaN 與 SiC 的比較，以下是亮點：
超級結 MOSFET 正逐漸被 GaN 和 SiC 所取代。SiC 似乎是車載充電器 (OBC) 的最愛。隨著工程師發現更新的設備并獲得使用經驗，這一趨勢無疑將繼續下去。
汽車應用
許多電源電路和設備可以通過使用 GaN 和 SiC 進行設計來改進。最大的受益者之一是汽車電氣系統。現代 HEV 和 EV 包含可以使用這些設備的設備。一些流行的應用是 DC/DC 轉換器、OBC、電機驅動器和 LiDAR。圖 3指出了電動汽車中需要大功率開關晶體管的主要子系統。
圖 3：用于 HEV 和 EV 的 WBG 車載充電器。交流輸入經過整流、功率因數校正，然后進行 DC/DC 轉換（一個輸出用于為高壓電池充電，另一個用于為低壓電池充電）。
DC/DC轉換器
這些電源電路將高電池電壓轉換為較低電壓以操作其他電氣設備。電池電壓現在最高可達 600 或 900 V。DC/DC 轉換器將其降至 48 或 12 V 或兩者，以便其他電子組件運行（圖 3）。在 HEV 和 EV 中，DC/DC 轉換器也可用于電池組和逆變器之間的高壓總線。
OBCs
插入式 HEV 和 EV 包含一個連接到交流電源的內部電池充電器。這允許在沒有外部 AC-DC 充電器的情況下在家充電（圖 4）。
牽引電機驅動器
牽引電機是驅動車輪的高輸出交流電機。驅動器是一個逆變器，可將電池電壓轉換為驅動電機的三相交流電。
激光雷達
LiDAR 是指一種結合光和雷達方法來檢測和識別周圍物體的技術。它使用脈動紅外激光掃描 360° 區域并檢測反射光。該信息被轉換為大約 300 米范圍內場景的詳細 3D 圖片，分辨率為幾厘米。其高分辨率使其成為車輛（尤其是自動駕駛）的理想傳感器，可提高對附近物體的識別能力。LiDAR 裝置使用 DC/DC 轉換器提供的 12 至 24 V 范圍內的直流電壓工作。
圖 4：典型的 DC/DC 轉換器用于將高電池電壓轉換為 12 和/或 48 V。高壓橋中使用的 IGBT 正逐漸被 SiC MOSFET 取代。
由于其高電壓、高電流和快速開關，GaN 和 SiC 晶體管都為汽車電氣設計師提供了寬容和更簡單的設計以及卓越的性能。
