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WBG功率半导体技术推动未来发展

作者: 浮思特科技2024-05-28 14:27:52

  通常,人们会忽视栅极驱动器在优化功率晶体管整体运行方面的作用,就好像 SIC MOSFET 或 GaN HEMT 是独立元件一样。意法半导体的电隔离 STGAPx 系列是针对 WBG 优化的栅极驱动器的一个很好的例子。

WBG半导体技术

  共源共栅配置中的常开 GaN HEMT 通常被视为实现具有常关行为的开关的最短途径。实际上,共源共栅配置中的 GaN 具有固有常关晶体管的特定特性,从而具有独特的性能和更安全的操作模式,正如 Nexperia GaN 国际产品营销经理 Ilian Bonov 在演讲中所展示的那样。

  第三个值得探索的方面是主流汽车生态系统之外的智能电网中 SiC MOSFET 的使用,SiC 市场的增长主要由汽车应用推动,例如牵引逆变器和电池充电器,但考虑到大量部署需要无处不在且耗电的充电站的电动汽车,全向电网中使用的超高压 (HV) SiC MOSFET 可以带来显着的节省。

  WBG 功率半导体市场概况

  Prabhu 指出,WBG 半导体市场总额将从 2022 年的 29.2 亿美元跃升至 2032 年的 288.8 亿美元。就市场增长而言,WBG 产品在 2022 年至 2027 年的五年内将实现 35.2% 的复合平均增长率,超过任何其他半导体系列的增长率。这一惊人增长的关键驱动因素包括电动汽车采用 400V 至 800V 电池系统的功率器件,以及对更高效转换器的需求,以满足 5G 基站、充电器和其他工业应用的需求。

  总体而言,WBG 器件有助于减少碳足迹,因为它可以降低成本并提高各种能源转换器的效率,使其更受欢迎、更实惠且更易于大规模部署。它们还可用于生产绿色氢气,这种氢气的供应几乎是无限的,但生产仍然耗能,更不用说在转换器和逆变器中使用 GaN 和 SiC 代替硅可以节省大量二氧化碳。

  电动汽车确实是市场增长的主要推动力,但仍存在一些问题,例如电池组件和发动机的材料供应、地缘政治紧张局势以及明智地向可再生能源过渡,用于为越来越多的充电站供电。其他机会是利用具有吸引力且与电气化互补的宽带隙半导体。这些包括太阳能逆变器、风力发电场、智能电网、UPS(存储系统)和数据中心,随着我们联系越来越紧密,人工智能的使用越来越广泛,这些领域的数量也在不断增长。

  进一步改进 WBG 产品仍存在一些问题和挑战。目前,大多数 SiC MOSFET 都是采用平面技术制造的,而沟槽是一种提高产品性能的选择,可以缩小芯片尺寸、降低传导损耗并提高成本竞争力。但即使功率半导体制造商多年来一直掌握硅沟槽技术,考虑到最终材料具有不同的晶体结构和物理特性,将其应用于 SiC 技术也并非简单的移植。减少晶圆基板的内置缺陷以提高制造良率也需要额外的努力。

  GaN晶体管已在8英寸上量产,电压约为650V,具有横向结构,这限制了电压能力和电流密度的扩展。垂直GaN仍仅限于实验室试验和使用高成本同质外延(GaN-on-GaN)的小晶圆尺寸。

  效率的提高还意味着更好的冷却技术,例如双面冷却和硅通孔,以及用于基板和芯片框架的新材料。用于将封装连接到散热器(而不仅仅是将芯片连接到框架)的银和铜烧结方法也有利于改善散热,因为热接触更好。

  WBG 栅极驱动器

  栅极驱动器是重要的 IC,因为它们提供和吸收足够的电流以有效驱动功率器件,同时确保在故障条件下安全运行。STGAx (STGAP) 系列栅极驱动器适用于隔离拓扑中使用的 SiC 和 GaN 晶体管,基于电流变压器式绝缘 (6.4 kVpk),可驱动高达 1.5 kV 电压轨的电源开关。图 1 显示了基本概念。符合 AEC-Q100 标准的 STGAP4S 嵌入反激式控制器以生成隔离轨,以实现正确的 SiC 驱动。串行外设接口可用于参数编程和扩展诊断类去饱和检测、过流检测、输入去尖峰滤波器、每个电源上的欠压锁定和过压锁定以及可编程死区时间。

WBG半导体技术

  米勒钳位引脚是栅极驱动器的一项重要功能,因为它可以避免桥式拓扑中因换向尖峰而导致的寄生晶体管导通。当以半桥配置驱动功率器件时,由于漏极和栅极之间的电容耦合,即使驱动器保持关闭状态,栅极源电压 (Vgs) 也可能达到阈值水平,并导致击穿 (交叉传导) 的灾难性故障。通过使用米勒钳位输出,存在低阻抗路径,以确保 V gs在开关阶段不会增加。SiC MOSFET 的阈值电压较低,更容易受到这种现象的影响。

  共源共栅 GaN FET

  Cascode GaN 是在同一封装中组合两个元件以实现常关开关:常开(耗尽模式或 d 模式)650 V GaN HEMT与 30 V 硅 MOSFET 串联。外部端子是 MOSFET 的栅极 (G),也是 Cascode 的栅极;HEMT 的漏极 (D);以及 MOSFET 的源极 (S),内部连接到 HEMT 的栅极。主要特点是高饱和电流(因为 GaN 电子迁移率高)、坚固的栅极(±20 V)、易于驱动(0 至 12 V,阈值为 4 V)和反向传导模式下的低损耗。

WBG半导体

  如图 2 所示,Nexperia 的共源共栅 GaN 在 6 V 以上完全导通,I d与 V gs曲线在 25°C 和 150°C 之间变化不大,保证在两个极端温度下性能始终一致。与两种竞争器件相比,栅极电压变化 2 V 不会影响器件性能。竞争对手的常闭 GaN 器件在 25°C 和 150°C 之间表现出较大的电流间隙。温度越高,电子迁移率越低。反向传导损耗对共源共栅更有利,因为 MOSFET 的二极管具有电压降 V f在 20 A 时仅为 1.4 V,而 SiC MOSFET 和 e-mode GaN 分别为 5 V 和 4.6 V。反向传导发生在死区时间期间,如果设计人员使用 GaN 共源共栅,则不必将死区时间保持在尽可能短的范围内以减少此类损失。

  为了充分利用 GaN 共源共栅开关的潜在特性,需要采用适当的封装,以降低内部电感、降低热阻并提高板级可靠性。CCPAK1212 (12 × 12 mm 2 ) 具有底部和顶部冷却版本,并采用铜夹安装,是最佳选择。Nexperia 声称其寄生电感为 1.27 nH,而采用 SiC MOSFET 的 TOLL 封装的寄生电感为 2 nH,这意味着其频率更高。在 400 V 至 230 V 的硬开关 DC/DC 转换器中,以 100 kHz 的频率运行并使用顶部 650 V 开关,无需 PCB 即可达到最大 6 kW,在整个功率范围内可实现 98% 以上的效率(2 kW 时为 99%)。

  全向网格

  全向电网是一个新概念,其核心是将能源和电力从采集点智能高效地输送到消耗点。换句话说,正如 Microchip 的 Speer 所说,我们需要随时随地为任何人提供电力。在这一努力中,1,700 V 至 3.3 kV 的高压 SiC 产品将发挥关键作用。虽然在能源消耗(电动汽车、充电站等)时,650 V 和 1,200 V SiC 在效率和功率密度方面的优势得到了充分发挥,但考虑到完整的能源生命周期,SiC MOSFET 和二极管有什么作用呢?如图 3 所示?中间的区块呢?

WBG半导体

  火力发电厂燃烧燃料发电效率极低,当电力到达消耗点时,大约三分之二的原始能量在转换过程中损失。例如,天然气发电厂的效率为 44%,这意味着天然气中储存的能量有 56% 被损失,而 44% 的能量被转换成电能。除此之外,长距离传输、调节和配电还会造成额外的电力损失—— 根据美国能源信息署 (645 GWh) 的数据,美国平均损失约 5% ——这加剧了电网固有的低效率。

  美国在 2021 年消耗了 4 TWh 的电力,到 2050 年,电动汽车充电将额外增加 2 TWh 的年度需求,因此电网和能源的负担将非常沉重。因此,有必要提高输配电效率,摆脱单向电网,单向电网的主要缺点是电压和频率不同、难以控制电力流方向以及低压 (LV) 转换器效率低下。全向电网所要做的就是在需要时提供适量的能量;也就是说,具有灵活性和更大的自由度。因此,解决方案是在变电站内采用电力电子设备,以便于集成分布式能源资源、提高转换效率,并为进一步的电网发展和新架构实施创造适当的条件。当然,变电站级电压如此之高,以至于只有 SiC 产品才能以不打折扣的效率和减小的转换器尺寸进行部署。额定电压为 3.3 kV 的 SiC MOSFET 和肖特基二极管还将简化整个系统,包括传感、控制、驱动器和减少的元件数量。

  HV SiC 产品使用模块化多级转换器,这是一种用于中压 (MV) 和高压直流转换的电力电子转换器,由多个(多达数百或数千个)串联的低压额定子模块组成。这种拓扑结构可产生多个输出电压水平,从而减少电池数量(电压越高,电池数量越少)、提高电能质量、降低故障点和降低拥有成本。使用 10,000-V SiC 开关,模块数量大幅减少 - 低于 100 个。

  为了实现全向电网,当今的 SiC 技术使我们能够用固态变压器 (SST) 取代笨重的传统变压器,从而将中压转换为低压(用于为负载供电),从而提高效率、功率密度和电能质量。在优化全向电网方面,我们有可能领先一步,这涉及用 SST 取代 AC/AC HV-MV 传统变压器,但需要进一步开发 SiC 技术。

浮思特科技专注功率器件领域,为客户提供IGBTIPM模块等功率器件以及MCU和触控芯片,是一家拥有核心技术的电子元器件供应商和解决方案商。

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