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炸開到導帶需要能量：而在硅的情況下，這種能量為 1.1eV，它是SiC(碳化硅)為 3.3eV，GaN(氮化鎵)為 3.4eV。這導致更高的適用擊穿電壓，在某些應用中可以達到 1200-1700V。由于使用的生產工藝，WBG 設備顯示出以下優點：

極低的內阻，與硅等效器件相比，可將效率提高多達 70%

低電阻提高了熱性能(隨著最高工作溫度的增加)和散熱，以及可獲得的功率密度

散熱優化允許使用更簡單的封裝，與等效的硅相比，顯著減小尺寸和減輕重量

非常短的關斷時間(在 GaN 的情況下接近于零)允許使用非常高的開關頻率以及達到的較低溫度

經典電力電子設備中使用的所有類型的器件都可以使用 WBG 器件制造。此外，經典的硅器件在許多應用領域已經達到了極限。鑒于這些前提，很明顯 WBG 技術是電力電子未來的基礎，并為各種應用領域的新可能性奠定了基礎。

碳化硅和氮化鎵的區別

根據應用類型所需的功率和頻率性能，每種類型的器件，包括硅器件和新型 WBG，都有其市場份額。

盡管在概念層面上有相似之處，但 SiC 和 GaN 組件不能相互互換，而是根據它們在其中運行的系統中的使用參數而有所不同。

尤其是SiC器件可以 承受更高的電壓，高達1200V甚至更高，而GaN器件可以承受更低的電壓和功率密度;另一方面，由于 GaN 器件幾乎為零的關斷時間(高電子遷移率，與 MOSFET Si 的 50V/s 相比，因此 dV/dt 大于 100V/s)，這些可以用于非常高頻應用，具有前所未有的效率和性能。這種理想的正特性可能會被證明是不方便的：如果組件的寄生電容不接近于零，則會產生數十安培數量級的電流尖峰，這可能會導致電磁兼容性測試階段出現問題。

由于采用 TO-247 和 TO-220 的可能性，碳化硅在所使用的封裝上具有更多優勢，這允許用新的碳化硅快速替換 IGBT 和 MOSFET，而 GaN 用 SMD 封裝(更輕、更耐用)提供更好的結果。小但降級到新項目)。

另一方面，這兩種器件的共同挑戰與柵極驅動器的設計和構造有關，能夠充分利用特定組件的特性，注意寄生組件(必須在以避免較弱的性能)和適用電壓的水平(希望類似于用于驅動經典硅組件的電壓)。

在成本方面，SiC 器件現在更便宜、更受歡迎，這也是因為它們是在 GaN 之前制造的。然而，不難想象，成本只是部分與生產過程和市場需求有關，這就是為什么市場上的價格可能會趨于平緩。

由于 GaN 襯底的生產成本較高，因此使用GaN “通道”的器件具有 Si 襯底。最近幾個月，瑞典林雪平大學與其衍生的 SweGaN 大學合作，根據使用 SiC 襯底和新的晶圓生長工藝(稱為變形異質外延，可防止結構缺陷的存在)的想法進行了一些研究，從而獲得與 SiC 器件相當的最大電壓，但能夠在 Si 上的 GaN 頻率下工作。這項研究還強調了采用這種機制如何能夠改進熱管理、超過 3kV 的垂直擊穿電壓以及與當今的解決方案相比小于一個數量級的導通狀態電阻。

應用和市場

WBG 設備的應用領域仍然是一個利基市場，研發部門仍然需要更好地了解如何充分發揮其潛力。最大的新技術市場是二極管市場，但預計 WBG 將在未來 5 年內充斥晶體管市場。

可能的應用已經開始被假設，預測顯示電動汽車、電信和消費市場是最有可能的。

根據銷售預測，最賺錢的市場將是電動汽車和自動駕駛汽車，其中WBG將用于逆變器、車載充電設備(OBC)和防撞系統(LiDAR)，這是顯而易見的，鑒于新設備的熱特性和效率與優化蓄電池性能的要求相匹配。

在電信方面，5G的作用將成為WBG的驅動力，其將安裝的數百萬個站點需要更高的能效，并且也將變得更小、更輕，在性能和成本上有顯著提升。

消費市場也將涉及新設備的大量使用。由于移動設備的不斷普及以及快速充電的需求，無線電源和充電設備將主要受到影響。

碳化硅和氮化鎵器件

英飛凌開發了多種 SiC 和 GaN MOSFET 器件及其驅動器，即 CoolSiC 和 CoolGaN 系列。值得注意的是 FF6MR12W2M1_B11 半橋模塊，它能夠在 1200V 下提供高達 200A 的電流，RDS(on) 電阻僅為 6mΩ。該模塊配備兩個 SiC MOSFET 和一個 NTC 溫度傳感器，適用于 UPS 和電機控制應用，注重效率和散熱(圖 1)。

Microsemi 目錄(現為 Microchip Technology)中有一個類似的解決方案，帶有 Phase Leg SiC MOSFET 模塊，它使用 SP6LI 器件系列，并允許電壓高達 1700V 和電流大于 200A;AlN 襯底確保更好的熱管理，兩個 SiC 肖特基二極管允許增加開關頻率。

Wolfspeed 憑借其 CAB450M12XM3 與市場保持同步，該半橋器件能夠管理高達 1200V 的電壓和 450A 的電流，由于使用了具有 SiN 襯底的第三代 MOSFET，因此適合在高達 175°C 的溫度下連續工作.

在查看 GaN 世界時，很明顯可用的各種設備是有限的。GanSystem 在其產品目錄中提供了 GS-065-150-1-D，這是一種利用專利島技術的晶體管，能夠在大于 10MHz 的開關頻率下管理高達 650V 和 150A 的電壓。

最后，憑借將于 2020 年中期面世的 TP90H050WS FET，Transphorm 正在開發使用 TO-247 封裝的 GaN 器件，其工作電壓可達到 900V，上升和下降時間約為 10nS(圖 2)。

圖 1：FF6MR12W2M1_B11 半橋模塊

圖 2：TP90H050WS FET

審核編輯：湯梓紅