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(多图) 硅、氮化镓、碳化硅如何为功率设计寻找最佳的工艺和供应商

Steve Taranovich?? EDN高级技术编辑?? 2013年05月30日 ?? 收藏0
电路设计人员最难入手的任务之一就是选择出同时满足系统要求和环境要求的最佳组件。

随着硅(Si)、氮化镓(GaN)以及碳化硅(SiC)工艺日臻成熟,其供应商的专业技能和创造性也在不断提升。现在是时候来衡量各个工艺的优缺点了,同时看看用这些工艺制造功率元件的供应商们有什么独门秘技。在为某一设计选择正确的方案时,所有这些元件都会对决策产生影响。最终的方案将综合衡量工艺成熟度和健壮性,以及供应商专业技术、支持力度和能力水平,甚至还包括某些无形因素后的最佳选择。

GaN和SiC是宽带隙(WBG)材料,这意味着半导体内一个电子从价带顶端跳入导带底端,所需的能量总是大于1~2电子伏(eV)。SiC和GaN半导体通常也称作复合半导体,因为它们包含了周期表中的多个元素。而Si是目前这一领域的成熟材料。

鉴于功率元件领域的竞争不断加剧,行业专家指出,到2013年中期将有6个左右的GaN、Si和SiC供应商会披露有关工艺改进、新型架构,以及会给行业带来新选择和新工具的最新能力。本文将探讨一些这样的公司和技术。

宜普电源转换公司(Efficient Power Conversion)

五年前,宜普电源转换公司(EPC)开始了自己的GaN研究工作,目标市场为200V及以下电压市场。其研究方向是在Si上生长GaN外延层。

GaN中有一种二维电子气(2DEG)传输机制,它使得GaN中的载流子迁移率高于SiC或Si。2DEG位于表层,适用于横向的器件结构,因此,所有端子都位于器件顶端。

现有器件存在一个问题,常开结构中的2DEG需要给栅级施加负电压,才能使器件关断(耗尽型)。电源转换市场自然更想要常闭器件,因此,宜普在三年前采用与Si IC相同的设施开发出了eGaN器件(图1)。


图1:eGaN与耗尽型GaN MOSFET之间有着显著差异。耗尽型GaN需要负电压才能关断,而eGaN只需正栅压便可从全关断转换到全导通。

SiC也用于制造功率晶体管,但是由于SiC没有电子气结构, 因而只能制造出纵向传导器件。GaN或SiC纵向传导器件比Si器件更易达到1kV~2kV的击穿电压水平。而SiC还需要昂贵的制造设施,因为它与现有的Si制造设施工艺并不兼容。

将来,宜普计划进军900V市场,也就需要某种纵向器件结构。那样的话,SiC的导热性优于GaN,而GaN在低电压、大功率时性能更佳,并且在任何电压下都具有成本优势。宜普预测SiC与GaN之间的战役将开始于900V水平,并一路展开。

在光伏电池(PV)板转换器市场中,每块光电板配一个转换器,这些中小型转换器最适合于宜普900V及以下的策略。而更高电压的器件将适合于集中型转换器市场。集中型转换器需要将大量电板接入一个大型高压转换器,这样的架构将会引起成本和效率问题。如果一块PV板发生故障,则为了避免整个机组的宕机,需要将故障电板移出系统,而这样有损效率。不过,如果转换器试图将低压变换为电网级高压,那么转换器本身的效率就会下降。

Si总线转换器与增强型GaN总线转换器在压板空间设计上存在差异(图2)。GaN晶体管速度极快。因此,其系统对于电路布局的敏感度远远大于速度较慢的Si器件。另外,杂散电感在整个系统效率中扮演着更为重要的角色。数百皮亨的电感将会对性能产生极大影响。


图2:本图所示试验总线转换器原型的输入和输出电压分别为48V和12V,(a)设计中采用Si MOSFET,(b)设计中采用eGaN MOSFET。

堆叠式器件优于打线连接。GaN不需要封装—它是惰性元素—因此,宜普采用了一种无封装式设计。这一方案显著减少了电阻、电感和热量问题。宜普计划最终将驱动器整合到场效应晶体管(FET)内。

宜普在台湾的CMOS代工厂汉磊科技(Episil)采用6英寸晶圆,并计划几年之后扩展到8英寸晶圆。除了一台在Si上生长GaN层的机器以外,整个工艺都与硅兼容。金属有机化学气相沉积(MOCVD)外延生长炉是为蓝色发光二极管(LED)设计,因而不能完美匹配eGaN FET。这是唯一一道比纯粹的硅工艺成本昂贵的工序。因此,随着MOCVD技术的改进,生长GaN外延的成本就会降低,与Si的成本差异也将逐渐缩小,直至最终消失。



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SiC? 功率设计?

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