如何化解第三代半导体的应用痛点

发布时间:2022-4-21 11:17    发布者:eechina
关键词: 第三代半导体
来源:贸泽电子
作者:Doctor M

集成电路和分立器件领域,硅始终是应用最广泛、技术最成熟的半导体材料,但硅材料技术的成熟恰恰意味着难以突破瓶颈。为了打破固有屏障,半导体产业进一步深入对新材料、新工艺、新架构的探索。凭借着在功率、射频应用中的显著性能优势,第三代半导体逐渐显露出广阔的应用前景和市场发展潜力。

所谓第三代半导体,即禁带宽度大于或等于2.3eV的半导体材料,又称宽禁带半导体。常见的第三代半导体材料主要包括碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氮化铝(AIN)、氧化锌(ZnO)和金刚石等,其中又以碳化硅和氮化镓材料技术的发展最为成熟。与第一代、第二代半导体材料相比,第三代半导体材料通常具备更宽的禁带宽度、更高的击穿场强、更高的热导率,电子饱和速率和抗辐射能力也更胜一筹,在高温、高压、高频、高功率等严苛环境下,依然能够保证性能稳定。

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图1:第三代半导体的材料特性 (图源:意法半导体)

从应用领域来看,第三代半导体材料广泛应用于射频器件、光电器件、功率器件等领域。以功率半导体市场为例,据TrendForce集邦咨询报告,在新能源汽车、光伏储能、智能电网等市场需求拉动下,预计2025年第三代半导体功率市场规模将增至47.1亿美元,年复合增长率高达45%。从下游细分市场来看,由于材料性能不尽相同,碳化硅与氮化镓在应用场景上也略有差异。碳化硅具备更高的热导率,主要面向新能源汽车、光伏发电、轨道交通、智能电网等高压、高功率应用;而氮化镓则以其更高的电子迁移率,高频特性较好,广泛应用于PD快充、新能源充电桩、5G通信等领域。

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碳化硅及氮化镓应用优势领域 (图源:英飞凌)

整体而言,碳化硅、氮化镓器件市场已经初具规模,在功率和射频应用领域完成了对硅基半导体器件的初步替代。但由于材料制备技术、器件制造与封装工艺、动静态测试、驱动设计优化以及可靠性等问题尚未完全解决,导致第三代半导体器件的性能大打折扣,无法完全发挥其材料本身的优势。关键技术不成熟、成本居高不下,第三代半导体器件自然难以实现更大规模的商业化落地。下面我们就从碳化硅、氮化镓器件的应用痛点出发,梳理一下国际大厂是如何攻克这些难题的。

优化封装技术突破开关性能限制

与硅功率半导体相比,碳化硅功率器件拥有更快的开关速度、更小尺寸和更低损耗,有望在诸多应用中取代IGBT。然而受限于传统封装技术,碳化硅功率器件的性能优势难以完全得到发挥。传统封装形式通常采用TO-247N,栅极引脚和源极引脚的寄生电感将会与寄生电容发生振荡,从而使MOSFET导通所需的栅极电压降低,导通速度减慢。为此,一些厂商正在寻求更完善的封装方案,以优化器件性能,进一步挖掘碳化硅器件潜力。

贸泽电子在售的来自制造商ROHM的SCT3080KW7TL,是一款7引脚SiC功率MOSFET。SCT3080KW7TL采用了TO-263-7L表贴封装,将电源源极与驱动器源极引脚分离开,可提供独立于电源的驱动器源,有效消除了导通时源极电感对栅极电压的影响。导通时,电流变化时间缩减,导通损耗降低;关断时,寄生电感减少,关断损耗也相应降低。此外,SCT3080KW7TL专有的沟槽式栅极结构将导通电阻降低了50%,输入电容降低了35%。

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图2:SiC MOSFET平面结构与沟槽结构性能比较 (图源:罗姆)

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具体来看,SCT3080KW7TL漏源极击穿电压为1.2kV,连续漏极电流为30A,具有很低的漏源导通电阻,数值为104mΩ。独立式驱动器源极也让SCT3080KW7TL驱动更加简单便捷、易于并联,有助于进一步降低应用设备的功耗。在太阳能逆变器、DC/DC转换器、开关电源、电机驱动等领域,SCT3080KW7TL已经取得了广泛应用。

ROHM另一款也在贸泽有售的BM2SC121FP2-LBZE2,则是一款准谐振AC/DC转换器IC。该芯片同样采用了小型表贴封装TO-263-7L,内部集成了1700V耐压SiC MOSFET及其栅极驱动电路。与Si-MOSFET相比,BM2SC121FP2-LBZE2将AC/DC转换器控制IC、800V耐压Si-MOSFET、齐纳二极管、电阻器和散热板集成在一个封装内,极大地削减了部件数量,在小型化方面极具竞争优势。同时,该芯片内置了高精度过热保护功能,实现了更高的可靠性能。

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图3:BM2SC12xFP2-LBZ应用电路 (图源:罗姆)

此外,BM2SC121FP2-LBZE2采用了电流检测电阻作为外部器件,IC设计简单且高度灵活。控制电路采用准谐振方式,运行噪声低、效率高、可软启动,可充分降低EMI。整体而言,BM2SC121FP2-LBZE2为大功率逆变器、AC伺服等工业设备提供了低成本、小型化、高可靠性、高效率的AC/DC转换器解决方案。

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调整驱动设计降低功率损耗

作为栅极电压控制器件,MOSFET栅极驱动电压的振荡直接影响着元器件的可靠性,更甚至会造成电路故障或失效。MOSFET器件在转换过程中,栅极与漏极之间的米勒电容将会诱发米勒振荡,干扰栅源极电压上升,从而延长了开关切换时间,导通损耗大幅增加,系统稳定性也随之降低。对于SiC MOSFET而言,其出色的开关速度和性能更是加剧了米勒导通效应。因此,如何减少米勒电容、降低米勒效应的影响,成为各大厂商迫切需要解决的难题。

对此,贸泽电子在售的来自意法半导体的SCTH35N65G2V-7AG提供了一种效果显著的解决方案。SCTH35N65G2V-7AG采用了意法半导体第二代碳化硅MOSFET技术,具有极低的导通电阻和优异的开关性能。该器件漏源极击穿电压为650V,漏源导通电阻最大67mΩ,栅极电荷和输入电容极小,广泛应用于开关电源、DC/DC转换器和工业电机控制等领域。

为了缓解米勒效应,SCTH35N65G2V-7AG采用了有源米勒钳位技术,在瞬态电压额定值低于20V/ns时,有效地抑制了米勒振荡,减少了开关的错误导通率,提高了系统稳定性。在较高瞬态电压下,SCTH35N65G2V-7AG则通过在栅源极使用齐纳保护限制振铃,进一步优化电路输出波形。

此外,与传统IGBT相比,在相同额定电压和等效导通电阻下,SCTH35N65G2V-7AG表现出更加优秀的耐高温、低损耗性能,适用于高开关频率应用场景,可减小无源元件的尺寸。同时,SCTH35N65G2V-7AG的导通损耗与关断损耗均不受结温影响。温度从25℃上升至175℃时,该器件的导通电阻变化率明显低于竞争产品。

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图4:导通电阻随温度的变化 (图源:意法半导体)

意法半导体另一款贸泽在售的单栅极驱动器STGAP2SICSNTR为中高功率应用提供了一个易于使用的驱动方案。该器件可在栅极驱动铜导与低压控制接口电路间提供电流隔离,具备4A与轨到轨输出能力。STGAP2SICSNTR提供了两种不同的配置选项,第一配置具有独立输出引脚,通过使用专用的栅极电阻器独立优化导通和关断。第二种配置则具备单输出引脚和米勒钳位功能,抑制了半桥拓扑结构高速转换时产生的栅极尖峰。总体而言,STGAP2SICSNTR为功率转换和电机驱动器逆变器等工业应用提供了高度灵活、成本低廉的设计方法。

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图5:STGAP2SICSNTR两种配置电路框图 (图源:意法半导体)

STGAP2SICSNTR内置了UVLO和热关断保护功能,可针对SiC MOSFET进行值优化。通过双输入引脚选择控制信号极性,实现硬件互锁保护,避免控制器故障时发生交叉输出,可帮助工程师轻松设计高可靠性系统,提升系统运行稳定性和抗干扰能力。

此外,STGAP2SICSNTR高压轨高达1700V,全温度范围内dv/dt瞬变抗扰性在100V/ns左右,输入输出延迟低于75ns,PWM控制精度较高,能够有效提高系统精度。

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贸泽电子在售的意法半导体GaN半桥高压驱动器MASTERGAN1TR,采用电源系统级封装,集成了半桥栅极驱动器和两个增强型高压GaN晶体管,为开关电源、充电器、太阳能发电、UPS系统、高压PFC、DC/DC和DC/AC转换器等应用提供了简单紧凑的解决方案。

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图6:MASTERGAN1TR电路框图 (图源:Mouser)

MASTERGAN1TR还内置了集成式功率分流器和自举二极管,漏源导通电阻约150mΩ,漏源击穿电压为650V,可为嵌入式栅极驱动器快速供电。同时提供UVLO保护和互锁保护,避免电源开关在低效率或危险条件下工作。

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总结

随着新能源汽车、电力电网和5G通信等领域迅速发展,以碳化硅、氮化镓为代表的第三代半导体凭借着其在高压、高温、高频应用中的优势,逐渐显露出对硅基半导体的替代作用。然而受限于传统封装工艺、驱动设计等技术瓶颈,第三代半导体器件散热、可靠性方面都面临着新的难题和挑战。

面对这些应用痛点,贸泽在售的多种类型的功率器件及模块、门驱动器在封装工艺和驱动技术方面进行了创新和优化,打破了传统技术的限制,最大限度地挖掘了宽禁带半导体材料的性能优势,推动宽禁带半导体器件更大规模的商业化应用落地。

技术发展日新月异,半导体产业对于新材料及材料技术的追求从未止步,超宽禁带半导体材料逐渐走进人们的视野。以氧化镓(GaO)为例,与碳化硅和氮化镓相比,该材料的带隙更宽、击穿场强更高,在大功率、高频率、高电压设备中拥有更高的应用价值和更广阔的发展前景。跟随技术演进方向,贸泽也将不断扩展产品类目,丰富解决方案,全面助力宽禁带、超宽禁带半导体的发展。
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