基于SiC或GaN的功率半导体应用设计

半导体商城 2021-04-09 00:00

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工程师对电磁干扰，并行化和布局非常熟悉，但是当从基于硅的芯片过渡到碳化硅或宽带隙器件时，需要多加注意。

芯片显示，基于硅（Si）的半导体比宽带隙（WBG）半导体具有十多年的领先优势，主要是碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）占有约90％至98％的市场份额。供应商。WBG半导体虽然还不是成熟的技术，但由于其优于硅的性能优势（包括更高的效率，更高的功率密度，更小的尺寸和更少的冷却），正在跨行业进军。

使用基于SiC或GaN的功率半导体来获得最佳设计需要更多的专业知识和仔细考虑的几个方面，包括开关拓扑，电磁干扰（EMI），布局，并联和栅极驱动器的选择。

解决可靠性和成本问题也很重要。

在可以使用Si，SiC和GaN的重叠应用中，选择取决于密度，效率和成本，一旦设计人员了解了这三个参数，它将指导他们使用哪种开关技术。（图片：英飞凌科技公司）

为什么要搬到WBG？

这一切都始于根据设计目标决定从基于Si的功率器件转变为基于SiC或GaN的功率器件。

英飞凌科技股份公司功率离散技术营销工程师Bob Yee认为，设计人员必须检查三个因素-成本，效率和密度-他们是使用硅还是使用SiC或GaN。据记录，英飞凌凭借其CoolSiC和CoolGaN产品组合在SiC和GaN市场中均占有一席之地，并且还提供Si MOSFET和IGBT。

Yee说，成本的单位是美元/瓦，效率的单位是输入/输出的百分比，密度的单位是瓦特/立方英寸。“一旦确定了这些目标，那将决定技术的类型以及成本点在哪里。”

Yee表示，尺寸和重量对于了解您使用硅还是WBG至关重要，他举例说说了一个小尺寸适配器设计的示例，该适配器设计可能会在Si MOSFET上使用GaN晶体管（HEMT）。原因？GaN较高的开关频率使设计人员可以缩小磁性材料的尺寸，这占电源尺寸的很大一部分。

他补充说：“设计人员必须了解他们的密度需求，这最终将决定效率，因为以较小的尺寸散热的空间较小。”“这意味着效率需要更高，这迫使设计人员使用WBG。”

魔术线

在过去的几十年中，基于硅的解决方案已经实现了更高的效率和更小的尺寸，但是在某种程度上，WBG半导体提供了更高的效率。Yee举了一个100 W电源的示例-100 W输入和94 W输出，这意味着6％的损耗或94％的效率。他说：“这是一条神奇的路线，您可以将其与硅隔离开来并使用WBG技术。”“如果工程师的设计比例最高可达到94％，那么它就可以很好地覆盖硅，因此没有理由去WBG并支付更多的费用。但是，如果您要实现96％的效率，则除了使用WBG之外，实际上别无选择，除了拓扑结构之外，这还归结于开关本身的特性上的寄生损耗。

Yee补充说：“如果要实现96％的效率，则需要一种利用GaN或SiC的新拓扑。”

一个很好的例子是使用功率因数校正（PFC）拓扑。Yee表示，如果设计人员研究如何针对特定拓扑优化开关技术（例如利用WBG的图腾柱PFC），它将提高性能，这就是无桥图腾柱PFC确实是灌篮的原因。WBG。”

设计人员需要通过查看如何针对特定拓扑优化开关技术以实现最大性能改进来评估WBG设备。（图片：英飞凌科技公司）

挑战性

设计人员可以优化设计，以获得更高的频率，更高的功率密度和更高的效率。这就是一些WBG技术挑战出现的地方。当以更高的频率进行开关时，设计人员需要注意EMI和更高的开关损耗。

WBG的寄生效应小于硅等效效应，这意味着EMI易于提高，因为它的开关速度快得多。Yee说，当您针对高频进行优化时，您需要注意EMI，并且还要考虑其他开关损耗。

SiC FET，SiC JFET和SiC肖特基二极管的制造商UnitedSiC的工程副总裁（VP）Anup Bhalla对此表示同意。“ EMI问题变得更加严重，尤其是当您试图获得更高功率密度的系统优势时，这实际上意味着一切都会变小，而变小的唯一方法是开关速度更快。这使您可以将变压器，电感器，散热器和其他东西缩小很多。”

Bhalla说，更快的开关速度也意味着您正在以高的电压和电流变化率运行，这可能会导致较大的电压过冲和EMI问题，因此布局变得更具挑战性。

他说：“电路电源端的这些快速电压变化很容易影响电路的信号端，因为它可以在您不知不觉中在此处或那里发出一个很小的电压尖峰，”他说。“这可能会在错误的时间触发栅极驱动器并炸毁所有东西，因此您在布局时必须格外小心。通常，（客户）需要付出大量的工程努力才能达到目标，并且在过去的四到五年中，很多人都取得了这一飞跃。”

优化布局

布局可能是一个挑战。Yee说最大的障碍是在驾驶员和登机口之间。设计师需要注意三个终端。它是驱动器输出到栅极输入，无论是iw56的SiC还是GaN，以及驱动器源极与WBG器件源极的接地连接。”

Yee说，他们需要最小化的第一件事是环路电感，因为WBG部件的切换速度如此之快。“如果他们不注意这一点，他们将制造出可以发射辐射的无线电。”因此，对于这些连接需要特别注意。为了减轻挑战，英飞凌建议使用具有开尔文源功能的WBG器件。

布局还会影响大功率应用的并联。Bhalla说，并行化非常简单。“这是相同的一般物理原理-您必须保持布局对称且平衡。我们必须使零件之间的参数分布保持相对紧密，以使所有零件看起来都相同，因此它们很容易平行。

他补充说：“设计人员喜欢采用这些快速零件并对其进行并联，就像它们过去与IGBT并联一样。”“这很困难，因为IGBT慢得多，因此并联起来也容易一些。当您尝试同时并行并更快地切换10倍时，您在布局方面必须做更多的工作。

“您必须至少小心进行一半的布局，以使并行设备之间的所有当前路径看起来都差不多。您不能让一个器件的电感是另一器件的五分之一，然后再期望它们并联。那样不行。”

Bhalla说，有时向工程师展示如何解决布局和并行化难题的最简单方法是给他们一个演示板。“我们非常谨慎，以确保当您并行使用这些设备时，用于驱动门的环路必须与路由所有功率/电流的环路保持解耦。栅极驱动电路是一个很小的环路，然后有一个强大的强大环路来驱动所有功率/电流，因此您希望最小化这两件事之间的耦合。如果这样做的话，您就会知道并行化会变得越来越容易。”

使用GaN器件时也是如此。GaN HEMT / E-HEMT器件专家GaN Systems销售和市场副总裁（VP）Larry Spaziani表示：“由于GAN速度很快，工程师们必须比以往更加了解布局。”“如果没有正确的布局，则可能会遇到性能，EMI甚至故障模式的问题。

他补充说：“ GaN不会改变布局规则，但是一切都变得更小，更紧密，更紧凑，因此您必须确保正确执行。”

SiC的细微调整

Yee解释说，SiC可以用作Si IGBT或Si MOSFET的性能替代品，部分原因是驱动结构非常相似-它是通常不使用的部件，并使用标准驱动器，但存在细微差别。

使用Si MOSFET时，驱动电压为10 V至12V。但是，如果您使用SiC，则其为0 V至18 V，并且欠压锁定（UVLO）从Si的8 V变为SiC的13 V，因此设计人员在移动时需要做一些细微的调整Yee解释说，从Si到SiC。

但是，使用GaN时，驱动结构完全不同。他补充说，它与IGBT或MOSFET不同。”您必须使用具有特定开启和关闭时间的特定驱动器。因此，设计人员确实确实需要注意驱动方案，不仅要考虑时序，而且如果要使用并联的GaN FET，则驱动器和GaN FET之间必须具有完美的对称布局。”

需要注意的重要一点是，设计人员可以使用标准的GaN驱动器，只要它支持栅极驱动电压和UVLO，但是同样，它需要进行设计上的调整。大多数供应商建议使用新一代的栅极驱动器，以能够以最快的开关速度进行切换，从而获得最高的性能。

与专用的GaN驱动器相比，使用标准的栅极驱动器来驱动GaN器件需要增加一个负电压电源，以安全地开启和关闭该器件。（图片：英飞凌科技公司）

“只有使用GaN驱动器，您才需要提供正负电压，这就是为什么我们希望客户使用专用驱动器的原因，” Yee说。他推荐英飞凌的1EDF56x3系列GaN栅极驱动器。

并非所有的SiC器件都是相同的

大多数WBG器件不是Si MOSFET或Si晶体管的直接替代品。级联类型的设备是一个例外，它几乎不需要或不需要额外的工程工作。但是，设计人员失去了WBG半导体的某些优势。

一个例子是UnitedSiC的SiC产品，这些产品全部封装在与硅兼容的封装中。这意味着这些器件可以从字面上将它们放入先前使用的IGBT或Si超结MOSFET的插座中。

Bhalla表示，其产品的独特之处之一是，它生产的工作原理类似于MOSFET的基于共源共栅的器件。这些SiC FET包括与cascode优化的Si MOSFET共同封装的SiC快速JET，以提供封装在标准通孔和表面贴装封装中的标准栅极驱动SiC器件。他说：“我们的共源共栅型器件是字面上的插件，除了栅极电阻变化以外，没有任何其他变化。”

另外，这些设备不需要特殊的驱动程序。Bhalla说，它们与所有主要供应商（包括用于SiC MOSFET和“老式” IGBT的较旧供应商）在市场上已有十年之久的标准硅栅极驱动器IC兼容。

他补充说，在过去的两年中，已经开发出许多专门针对SiC的良好栅极驱动器。“它们更昂贵，但是人们已经开始使用它们，我们的设备也与那些更好的驱动程序兼容。”

但是存在一些缺点，包括无法从WBG设备中获得最高性能。Bhalla说：“我们正在出售这些封装中具有很大电感的超快器件。”“当您通过这些封装在电路中施加高压摆率（di / dt）时，只会加剧所有快速开关的问题-更大的过冲，更大的振荡等。”

Bhalla表示，向更好的包装过渡的工作正在进行中。“这是现实：人们正在使用SiC的部分好处，并且在其最终系统中仍能以便宜又脏的方式获得一些好处。

他说：“世界上仍有很大一部分仍在硅中，因此对于他们从硅向碳化硅的转变，我们提供了非常好的垫脚石。”

Bhalla认为，到明年，将会有很多顶侧冷却的表面贴装封装，甚至是表面贴装型模块，它们会将整个半桥集成到一个封装中。他说：“这是必须做的，因为没有它，用户将无法从中获得所有收益，也无法迈向新的高度。”

例如，UnitedSiC最近推出了采用TO-247封装的7mΩRDS（ON），650V器件。（较低的RDS（ON）可以实现更高的效率。）该公司最接近的竞争对手的ON电阻高3倍，但是UnitedSiC遇到的一个问题是封装引线实际上比芯片更热。“因此，我们采用了200A的设备并将其降额为120A，因为在实践中使用该设备时，我们发现引线比芯片本身更热，” Bhalla说。

通过在熟悉的TO-247封装中结合使用第三代SiC JFET和经共源共栅优化的Si MOSFET，UnitedSiC推出了第一款SiC FET，RDS（on）小于10mΩ，具有更高的效率和更低的损耗。与Si IGBT的栅极电压相同。图片：UnitedSiC）

氮化镓的优点

从消费电子到汽车的各个领域的OEM设计师都有一些共同的设计要求：他们想要更高的功率密度和更小的电子产品。

Spaziani说，在较高的频率下，电源系统中的几乎所有组件（电容器，电感器，变压器等）都可以变小，并且由于GaN效率很高且产生的热量很少，因此不需要任何散热器，因此设计人员仅需卸下散热器即可节省空间和成本。或者它们可能保持相同的频率以获得更高的效率。他说，通常，即使效率提高了百分之一，也足以使服务器电源领域的客户从铂金级变为钛级（效率为96％）。

Spaziani说，这与工程师通常所做的没什么不同。无论是使用硅还是其他技术，他们通常都必须优化其电路板，但是栅极驱动有所不同。使用GaN和SiC，栅极驱动行为不同于硅MOSFET和硅IGBT，因此工程师必须首先问的一件事是：“我如何驱动栅极？”

在过去的30年中，MOSFET基本已成为0至12V的栅极驱动电路，而GaN则为–3至6 V或0至10 V或0至5V。Spaziani说，它们都有些不同。“但是好消息是GaN Systems现在已经走了六年的路程，而且我们有大约十二家主要的半导体公司已经创建了驱动GaN的驱动器，所以现在，这只是一个简单的应用决策。”

GaN Systems还提供了一种称为EZDrive的电路，从而消除了对分立驱动器的需求。它将具有大约六个组件的12V MOSFET驱动器转换为6V GaN驱动器。Spaziani说：“它确实很便宜，并且适配器设计人员喜欢这种电路。”“它易于使用，不耗电且体积小，而且他们不必具有定制的栅极驱动器。”

揭穿GaN神话

GaN供应商认为，关于GaN技术仍然存在一些神话，它们都是错误的或半实的。问题包括EMI，并联，雪崩能力，可靠性和成本。

GaN器件的EMI更为严重。GaN提供了出色的开关沿，可实现更高的效率和更高的频率，但这并不意味着EMI会更糟。实际上，供应商说它通常比具有良好布局的硅要好，并且可以使EMI滤波器更小，从而降低了成本。

并行化是一个常见的问题。神话是GaN仅在低功率和高频率下才有优势。例如，GaN Systems的客户以20 kHz到20 MHz的频率进行切换，而高功率的客户则是并联设备。GaN晶体管可以很好地并联。只需确保每个晶体管承载大约相同的电流量即可。例如，如果要并联两个设备，并且一个晶体管承载70％的电流，它将损耗得更快，电路将很快失效。注意：来自不同SiC和GaN供应商的设备在并行方面略有不同。

没有雪崩能力。MOSFET进入雪崩模式以钳制电压尖峰，以保护电路的其余部分免受故障影响。GaN器件制造商解决此问题的方法是在电压额定值中设计很多余量。例如，GaN Systems的650V额定器件只有在超过1000 V时才会发生故障。

可靠性和成本不等于硅。可靠性通过时间故障（FIT）来衡量。硅已经存在了数十年，并且已被大多数供应商证明是可靠的。但是，WBG半导体并非如此。像任何新技术一样，可靠性风险也会增加，成本也会更高。在WBG器件和硅器件之间进行艰难的比较，仅仅是因为硅芯片的可靠性已得到充分证明，而且多年来的大量生产已降低了成本。

但是一些WBG供应商（例如GaN Systems）表示，可靠性[FIT]与硅相当，在过去五年中价格差距明显缩小，价格从3倍降到5倍，再降到1.5倍到2倍。