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半导体材料Si、SiC和GaN 优势及瓶颈分析

39度创意研究所 2020-09-11 10:51 次阅读

现今流行的半导体材料:Si、SiC和GaN,三兄弟在半导体界的知名度和火热度放在各类小视频软件不下于任何一个网红,只可惜现实中我们往往只是沉溺于刷“帅哥美女”。今天我们再来聊聊这三兄弟~

1.厚积薄发,应运而生

作为半导体材料“霸主“的Si,其性能似乎已经发展到了一个极限,而此时以SiC和GaN为主的宽禁带半导体经过一段时间的积累也正在变得很普及。所以,出现了以Si基器件为主导,SiC和GaN为"游击"形式存在的局面。

在Si之前,锗Ge是较早用于制造半导体器件的材料,随后Si以其取材广泛、易形成SiO2绝缘层、禁带宽度比Ge大的优势取代了Ge,成为主要的半导体材料。随着电力电子技术的飞速发展,Si基半导体器件也在飞速发展,电流、电压等级越高,芯片越薄越小、导通压降越小、频率越高、损耗越小等等。任何事物的发展,除了外在力的作用,自身特性也会限制发展,Si基半导体器件似乎已经到了"寸步难行"的地步。而此时,以碳化硅SiC和氮化镓GaN为主的新型半导体材料,也就是我们常说的第三代宽禁带半导体(WBG)"破土而出",以其优越的性能突破的Si的瓶颈,同时也给半导体器件应用带来了显著的提升。

相对于Si,SiC和GaN有着以下几点优势:

❶禁带宽度是Si的3倍左右,场强约为Si的10倍;

❷更高的耐压能力以及更低的导通压降;

❸更快的开关速度和更低的开关损耗;

❹更高的开关频率;

千亿体育官网 ❺更高的允许工作温度;

千亿体育官网 ❻SiC具有更高的热导率;

千亿体育官网 根据上面的优势,第三代宽禁带半导体器件,能够达到更高的开关频率,提高系统效率,同时增大功率密度等,但是目前推动的最大推动力还得看成本!

2.SiC&GaN

目前,SiC和GaN半导体器件早已进入商业化,常见的SiC半导体器件是SiCDiode、JFET、MOSFET,GaN则以HEMT(高电子迁移率晶体管)为主。

SiC半导体器件:

不同类型的碳化硅器件结构和工艺难度都不一样,一般都是依据其工艺难度依次推出的。可知,SiCDiode便是较早实现商业化碳化硅半导体器件,同时也是历经内部结构和外部封装优化最多的器件,自身耐压能力、抗浪涌能力和可靠性都得到了大大提高,是目前成熟的SiC半导体器件。肖特基二极管SBD是先商业化的碳化硅二极管,其具有较低的导通压降,但是反向漏电流较大,为了限制反向漏电流,结势垒控制肖特基二极管应运而生;随后还有PiN结合的肖特基二极管MPS,主要都是为了平衡其正向压降和反向漏电流。碳化硅SBD的反向恢复过程很短、反向恢复损耗低,正向压降具有正温度系数,适合多管并联的应用场合,目前商用的主要为MPS二极管。

碳化硅JFET一般为常开型器件,为了实现常断,目前一般是将常开的SiCJFET和一个起控制作用的低压SiMOSFET级联成Cascode结构,即共源共栅结构。

Cascode结构的SiCJFET能够兼容原先的SiMOSFET或者SiIGBT的驱动,并且性能上几乎不会因为多串联了一个器件而产生影响。SiCJFET为单极型器件,没有栅氧层,工艺上比较容易实现且可靠性较高,但是对于驱动电路的控制要求较高,采用Cascode结构是一个不错的选择。

千亿体育官网 SiCMOSFET是目前倍受工业界关注的SiC半导体器件,其导通小、开关速度快、驱动简单、允许工作温度高等特点,能够提高电力电子装置的功率密度和工作环境温度,适应当前电力电子技术发展的趋势,也是被认为是Si基IGBT的理想替代者(夺权时间待定)。相对而言,SiCMOSFET的工艺步骤更复杂、难度更高,制造工艺的研发时间较长,这也是为什么SiCMOSFET比前两者来得稍晚些。

千亿体育官网 SiCIGBT?前面我们也有聊到过,就应用领域的性价比来说,SiCIGBT也有,不过相对来说不会太常见。--SiCIGBT--PET的未来?

GaN半导体器件:

氮化镓器件最接地气的就是各类手机快充,GaN器件的性能远由于Si基器件,因为GaN器件的结电容很小,开关速度非常快,能够在几纳秒内完成开关,损耗极小,使得其工作频率达到MHz级别,大大提高了系统的功率密度。GaN半导体器件主要以HEMT为主,我们也叫调制掺杂场效应管MODFET,导通电阻非常小,并且不需要栅极正偏就能形成导电沟道,所以一般为常开器件。为了实现常断,一般可以采用和SiC一样的Cascode结构,还可以优化自身的栅极结构,如在栅极下方生长P+AlGaN,形成深耗尽区,在零偏压的情况下阻断沟道,实现阈值电压大于0V的目的。

虽然SiC和GaN器件已经出现商业化,但是依旧存在很多没有完全解决甚至未知的问题,未完待续。。。。。。

随着SiC和GaN的快速发展,凭借其优异的特性,在电力电子涉及的领域备受关注,不管是半导体器件的制造商,还是半导体器件的应用商,无一不将其放在心上。但除了半导体器件的发展,外部电路,如驱动电路,或者是整个电路拓扑等,也需要不断发展和优化,才能更大程度地发挥宽禁带半导体的优异性能。

虽然宽禁带半导体不再是那么触不可及,但是相对Si基而言,成本依旧是其侵占市场的一大阻碍,但大势所趋仅仅是时间问题。

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B120H3Q1PG是一款3通道1200 V IGBT + SiC Boost模块。每个通道包括一个快速开关80 A IGBT,一个20 A SiC二极管,一个旁路二极管和一个IGBT保护二极管。该模块具有内置热敏电阻并具有压配销。 特性 优势 1200 V快速开关IGBT 降低IGBT的开关损耗可实现更高的fsw和更紧凑的设计 1200 SiC二极管 降低二极管的开关损耗可实现更高的fsw和更紧凑的设计 低Vf旁路二极管 提高旁路模式的效率 压合销 无焊接安装 应用 终端产品 太阳能逆变器升压阶段 分散式公用事业规模太阳能逆变器 商业串式逆变器 电路图、引脚图和封装图...
发表于 07-31 08:02 57次 阅读
NXH240B120H3Q1 功率集成模块(PIM)3通道1200 V IGBT + SiC升压 80 A IGBT和20 A SiC二极管

NXH80B120H2Q0 功率集成模块 双升压 1200 V 40 A IGBT + 1200 V 15 A SiC二极管

120H2Q0SG是一款功率集成模块(PIM),包含一个双升压级,由两个40A / 1200V IGBT,两个15A / 1200V SiC二极管和两个用于IGBT的25A / 1600V反并联二极管组成。另外还包括两个用于浪涌电流限制的25A / 1600V旁路整流器。包括一个板载热敏电阻。 特性 优势 IGBT规格:VCE(SAT)= 2.2 V,ESW = 2180 uJ 具有低VCE(SAT)的快速IGBT以实现高效率 25 A / 1600 V旁路和反并联二极管 低VF旁路二极管,在旁路模式下具有出色的效率 SiC整流器规格:VF = 1.4 V 用于高速切换的SiC二极管 可焊接引脚 轻松安装 双升压40 A / 1200 V IGBT + SiC整流器混合模块 热敏电阻 应用 终端产品 太阳能逆变器升压阶段 太阳能逆变器 UPS 电路图、引脚图和封装图...
发表于 07-31 08:02 42次 阅读
NXH80B120H2Q0 功率集成模块 双升压 1200 V 40 A IGBT + 1200 V 15 A SiC二极管

NXH100B120H3Q0 功率集成模块 双升压 1200 V 50 A IGBT + 1200 V 20 A SiC二极管

B120H3Q0是一款功率集成模块(PIM),包含一个双升压级,由两个50A / 1200V IGBT,两个20A / 1200V SiC二极管和两个用于IGBT的25A / 1600V反并联二极管组成。另外还包括两个用于浪涌电流限制的25A / 1600V旁路整流器。包括一个板载热敏电阻。 特性 优势 IGBT规格:VCE(SAT)= 1.77 V,ESW = 2200 uJ 具有低VCE(SAT)的快速IGBT以实现高效率 25 A / 1600 V旁路和反并联二极管 低VF旁路二极管,在旁路模式下具有出色的效率 SiC整流器规格:VF = 1.44 V 用于高速开关的SiC二极管 焊针和压合销选项 灵活安装 应用 终端产品 MPPT提升阶段 Bat tery Charger Boost Stage 太阳能逆变器 储能系统 电路图、引脚图和封装图...
发表于 07-31 07:02 32次 阅读
NXH100B120H3Q0 功率集成模块 双升压 1200 V 50 A IGBT + 1200 V 20 A SiC二极管

FPF2G120BF07AS 具有NTC的F2,3ch升压模块

一种快速,可靠的的安装方式。 特性 高效率 低传导损耗和开关损耗 高速场截止IGBT SiC SBD用作升压二极管 内置NTC可实现温度监控 电路图、引脚图和封装图
发表于 07-31 04:02 66次 阅读
FPF2G120BF07AS 具有NTC的F2,3ch升压模块

NCP566 LDO稳压器 1.5 A 超高PSRR 具有快速瞬态响应

低压差(LDO)线性稳压器将在固定输出电压下提供1.5 A电流。快速环路响应和低压差使该稳压器非常适用于低电压和良好负载瞬态响应非常重要的应用。器件保护包括电流限制,短路保护和热关断。 NCP566采用SOT-223封装。 特性 超快速瞬态响应(
发表于 07-30 08:02 34次 阅读
NCP566 LDO稳压器 1.5 A 超高PSRR 具有快速瞬态响应

NCP3284 4.5V至18V 30A高效率 DC / DC转换器 采用耐热增强型5mm x 6mm封装

4是一款30A POL,适用于在小型电路板占板面积内要求高效率的应用。该器件将DC / DC控制器与两个高效mosfet集成在一个采用热增强型5mm x 6mm QFN封装的信号中。它采用获得专利的增强型斜坡脉冲调制控制架构,可提供超快的负载瞬变,从而减少外部电容和/或提供更好的瞬态容差。与传统的恒定时间控制器相比,新架构还改进了负载调节。 特性 优势 效率高 减少电力损失 快速装载瞬态 减少输出电容的数量 频率选择 优化效率和输出滤波器尺寸的权衡 0.6%准确参考 允许非常精确的输出电压 远程感知 提供准确的输出电压 启用输入和电力良好指标 二手用于控制排序 可调节电流限制 低电流设计的灵活性 可调节软启动 允许控制开启坡道 热增强型QFN封装 改善散热 指定-40C至125C 应用 终端产品 服务器 网络 电信 ASICs servere 存储 网络 电路图、引脚图和封装图...
发表于 07-30 04:02 219次 阅读
NCP3284 4.5V至18V 30A高效率 DC / DC转换器 采用耐热增强型5mm x 6mm封装

NCP3233 降压转换器工作电压范围为3V至21V 最高可达20A

3是一款20A降压转换器(内置MOSFET),工作电压范围为3V至21V,无需外部偏置。该固定式变频器具有高效率,可调节输出以提供低至0.6V的电压。可调电流限制允许器件用于多个电流水平。该器件采用耐热增强型6mm x 6mm QFN封装,高效电压模式同步降压转换器,工作电压为3 V至21 V,输出电压低至0.6 V,最高25 A DC负载或30 A瞬时负载。 特性 优势 宽输入电压范围为3V至21V 允许同一器件用于3.3V,5V和12V母线 300kHz,500kHz和1MHz开关频率 用户可选择的选项,允许在效率和千亿体育官网尺寸之间进行优化权衡 无损耗低侧FET电流检测 提高效率 0.6V内部参考电压 低压输出以适应低压核心 外部可编程软启动 降低浪涌电流并防止启动时出现无根据的过电流 预偏置启动 防止反向电流流动 所有故障的打嗝模式操作 如果故障情况消除,则允许重新启动 可调输出电压 灵活性 可调节电流限制 优化过流条件。允许较低饱和电流的较小电感器用于较低电流应用 输出过压保护和欠压电压保护 应用 终端产品 高电流POL应用 AS...
发表于 07-30 04:02 196次 阅读
NCP3233 降压转换器工作电压范围为3V至21V 最高可达20A

NCP3231A 高电流同步降压转换器

1A是一款高电流,高效率电压模式同步降压转换器,工作电压为4.5 V至18 V,输出电压低至0.6 V,最高可达25 A. 特性 优势 宽输入电压范围4.5V至18V 支持广泛的应用 500KHz开关频率 需要小电感和少量输出电容 无损耗低端FET电流检测 良好的散热性能 0.6V内部参考电压 外部可编程软启动 输出o电压和欠压保护 使用热敏电阻或传感器通过OTS引脚进行系统过热保护 所有故障的打嗝模式操作 预偏置启动 可调节输出电压 电源良好指示灯 内部过热保护 应用 终端产品 采用6x6 QFN封装的25A稳压器 ASIC,FPGA,DSP和CPU内核及I / O电源 移动电话基站 电信和网络设备 服务器和存储系统 电路图、引脚图和封装图...
发表于 07-30 04:02 121次 阅读
NCP3231A 高电流同步降压转换器

NCP3231B 高电流 1MHz 同步降压转换器

1B是一款高电流,高效率电压模式同步降压转换器,工作电压为4.5 V至18 V,输出电压低至0.6 V,最高可达25 A. 特性 优势 宽输入电压范围4.5V至18V 支持广泛的应用 1MHz开关频率 需要小电感和少量输出电容 无损耗低端FET电流检测 良好的散热性能 0.6V内部参考电压 外部可编程软启动 输出ove r电压和欠压保护 使用热敏电阻或传感器通过OTS引脚进行系统过热保护 所有故障的打嗝模式操作 预偏置启动 可调节输出电压 电源良好指示灯 内部过热保护 应用 终端产品 采用6x6 QFN封装的25A稳压器 ASIC,FPGA,DSP和CPU内核及I / O电源 移动电话基站 电信和网络设备 服务器和存储系统 电路图、引脚图和封装图...
发表于 07-30 04:02 93次 阅读
NCP3231B 高电流 1MHz 同步降压转换器

NCP3231 高电流同步降压转换器

1是一款高电流,高效率电压模式同步降压转换器,工作电压为4.5 V至18 V,输出电压低至0.6 V,最高25 A DC负载或30 A瞬时负载。 特性 优势 宽输入电压范围4.5V至18V 支持广泛的应用 500KHz开关频率 需要小电感和少量输出电容 无损耗低 - 侧FET电流检测 提高效率 0.6V内部参考电压 外部可编程软启动 输出过压保护和欠压保护 使用热敏电阻或传感器进行系统过热保护 所有故障的打嗝模式操作 预偏置启动 可调节输出电压 电力良好输出 内部过热保护 应用 终端产品 采用6x6 QFN封装的25A稳压器 ASIC,FPGA,DSP和CPU内核及I / O电源 移动电话基站 电信和网络设备 服务器和存储系统 电路图、引脚图和封装图...
发表于 07-30 03:02 120次 阅读
NCP3231 高电流同步降压转换器

NCP1592 同步降压稳压器 PWM 6.0 A 集成FET

2是一款低输入电压,6 A同步降压转换器,集成了30mΩ高侧和低侧MOSFET。 NCP1592专为空间敏感和高效应用而设计。主要特性包括:高性能电压误差放大器,欠压锁定电路,防止启动直到输入电压达到3 V,内部或外部可编程软启动电路,以限制浪涌电流,以及电源良好的输出监控信号。 NCP1592采用耐热增强型28引脚TSSOP封装。 特性 30mΩ,12 A峰值MOSFET开关,可在6 A连续输出源或接收器处实现高效率电流 可调节输出电压低至0.891 V,准确度为1.0% 宽PWM频率:固定350 kHz,550 kHz或可调280 kHz至700 kHz 应用 终端产品 低压,高密度分布式电源系统 FPGA 微处理器 ASICs 便携式计算机/笔记本电脑 电路图、引脚图和封装图...
发表于 07-30 03:02 83次 阅读
NCP1592 同步降压稳压器 PWM 6.0 A 集成FET

NCP3230 DC / DC转换器 4.5 V至18 V 30 A.

C转换器采用耐热增强型6mm x 6mm QFN封装,可提供高达30 A的电流。 特性 优势 效率高 降低功耗并减少散热问题 4.5 V至18 V输入范围 允许使用5 V或12 V母线进行操作 综合mosfets 简化设计并提高可靠性 可调节软启动时序,输出电压 设计灵活性 过压,欠压和过流保护 安全启动到预偏置输出 应用 终端产品 高电流POL应用 为asics,fpga和DSP供电 基站 服务器和存储 网络 电路图、引脚图和封装图...
发表于 07-30 03:02 60次 阅读
NCP3230 DC / DC转换器 4.5 V至18 V 30 A.

NCP3235 4.5 V至21 V 集成MOSFET的DC / DC转换器

5是一款带内部MOSFET的15 A DC / DC转换器,设计灵活。该器件可提供低至0.6V至输入电压80%以上的可调输出电压。功能包括可调电流限制,输出电压和软启动时序。引脚可选功能可实现550 kHz或1 MHz的开关频率,选择DCM / CCM工作模式,以及在过流期间锁定或打嗝模式的能力。该器件可配置为在超声模式下工作,以避开音频带。该器件采用耐热增强型6mm x 6mm TQFN封装。 特性 优势 准确0.6 V参考 可调输出以设置所需电压低至0.6 V DCM / CCM可选择选项 在不连续模式下操作以在轻负载下提高效率 550kHz / 1.1MHz开关频率 选择更高效率或更小输出滤波器的设计灵活性 超声波模式 保持电容器不发出声音 热增强型QFN封装 3个裸露焊盘散布更高 4.5 V至21 V的宽工作范围 允许跨多个应用程序使用 可调软启动 允许在通电期间平稳上升 应用 终端产品 计算/服务器 数据通信/网络 FGPA,ASIC,DSP电源 12 V负载点 桌面 服务器 网络 电路图、引脚图和封装图...
发表于 07-30 03:02 58次 阅读
NCP3235 4.5 V至21 V 集成MOSFET的DC / DC转换器
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