【導讀】幾(ji)十(shi)年(nian)來(lai)，矽(gui)一(yi)直(zhi)主(zhu)導(dao)著(zhe)晶(jing)體(ti)管(guan)世(shi)界(jie)。但(dan)這(zhe)種(zhong)情(qing)況(kuang)已(yi)在(zai)逐(zhu)漸(jian)改(gai)變(bian)。由(you)兩(liang)種(zhong)或(huo)三(san)種(zhong)材(cai)料(liao)組(zu)成(cheng)的(de)化(hua)合(he)物(wu)半(ban)導(dao)體(ti)已(yi)被(bei)開(kai)發(fa)出(chu)來(lai)
，提(ti)供(gong)獨(du)特(te)的(de)優(you)勢(shi)和(he)卓(zhuo)越(yue)的(de)特(te)性(xing)。例(li)如(ru)，有(you)了(le)化(hua)合(he)物(wu)半(ban)導(dao)體(ti)，我(wo)們(men)開(kai)發(fa)出(chu)了(le)發(fa)光(guang)二(er)極(ji)管(guan)(LED)。一種類型是由砷化镓(GaAs)和磷砷化镓(GaAsP)組成。其他的則使用銦和磷。

問題是，化合物半導體更難製造，也更貴。然而，與矽相比，它們具有顯著的優勢。新的更高要求的應用，如汽車電氣係統和電動汽車(EVs)，正發現化合物半導體能更好地滿足其嚴格的規格要求。

氮化镓(GaN)和碳化矽(SiC)功率晶體管這兩種化合物半導體器件已作為方案出現。這些器件與長使用壽命的矽功率橫向擴散金屬氧化物半導體(LDMOS) MOSFET和超級結MOSFET競爭。GaN和SiC器件在某些方麵是相似的
，但也有很大的差異。本文對兩者進行了比較
，並提供了一些實例，以助您為下一個設計做決定。

圖1.顯示了流行的高壓
、大電流晶體管和其他器件的功率能力與開關頻率的關係，以及主要的應用。

寬禁帶半導體

化合物半導體被稱為寬禁帶(WBG)器件。若不評介晶格結構、能級和其他令人頭疼的半導體物理學
，我們隻說WBG的定義是一個試圖描述電流(電子)如何在化合物半導體中流動的模型。

WBG化合物半導體具有較高的電子遷移率和較高的帶隙能量
，轉化為優於矽的特性。由WBG化合物半導體製成的晶體管具有更高的擊穿電壓和對高溫的耐受性。這些器件在高壓和高功率應用中比矽更有優勢。

圖2. 雙裸片雙場效應管(FET)級聯電路將GaN晶體管轉換為常關斷器件，實現了大功率開關電路中的標準增強型工作模式

與矽相比，WBG晶體管的開關速度也更快
，可在更高的頻率下工作。更低的“導通”電(dian)阻(zu)意(yi)味(wei)著(zhe)它(ta)們(men)耗(hao)散(san)的(de)功(gong)率(lv)更(geng)小(xiao)，從(cong)而(er)提(ti)升(sheng)能(neng)效(xiao)。這(zhe)種(zhong)獨(du)特(te)的(de)特(te)性(xing)組(zu)合(he)使(shi)這(zhe)些(xie)器(qi)件(jian)對(dui)汽(qi)車(che)應(ying)用(yong)中(zhong)一(yi)些(xie)最(zui)嚴(yan)苛(ke)要(yao)求(qiu)的(de)電(dian)路(lu)具(ju)有(you)吸(xi)引(yin)力(li)
，特(te)別(bie)是(shi)混(hun)合(he)動(dong)力(li)和(he)電(dian)動(dong)車(che)。

GaN和SiC晶體管正變得唾手可得，以應對汽車電氣設備的挑戰。GaN和SiC器件的主要賣點是這些優勢：

●    高電壓能力，有650 V
、900 V和1200 V的器件。

●    更快的開關速度。

●    更高的工作溫度。

●    更低導通電阻，功率耗散最小，能效更高。

GaN晶體管

在射頻(RF)功率領域
，GaN晶體管被發現有早期的商機。該材料的本質使耗盡型場效應晶體管(FET)得以發展。耗盡型(或D型)FET被稱為假態高電子遷移率晶體管(pHEMT)，是天然“導通”的器件；由於沒有門極控製輸入，存在一個自然的導通通道。門極輸入信號控製通道的導通，並導通和關斷該器件。

由於在開關應用中，通常“關斷”的增強型(或E型)器件是首選，這導致了E型GaN器件的發展。首先是兩個FET器件的級聯(圖2)。現在
，標準的e型GaN器件已問世。它們可以在高達10兆赫頻率下進行開關，功率達幾十千瓦。

GaN器件被廣泛用於無線設備中
，作為頻率高達100 GHz的功率放大器。一些主要的用例是蜂窩基站功率放大器、軍用雷達
、衛星發射器和通用射頻放大。然而，由於高壓(高達1,000 V)、高溫和快速開關，它們也被納入各種開關電源應用
，如DC-DC轉換器、逆變器和電池充電器。

SiC晶體管

SiC晶體管是天然的E型MOSFET。這些器件可在高達1 MHz的頻率下進行開關，其電壓和電流水平遠高於矽MOSFET。最大漏源電壓高達約1,800 V，電流能力為100安培。此外，SiC器件的導通電阻比矽MOSFET低得多，因而在所有開關電源應用(SMPS設計)中的能效更高。一個關鍵的缺點是它們需要比其他MOSFET更高的門極驅動電壓，但隨著設計的改進

，這不再是缺點。

SiC器件需要18至20伏的門極電壓驅動，導通具有低導通電阻的器件。標準的Si MOSFET隻需要不到10伏的門極就能完全導通。此外，SiC器件需要一個-3至-5 V的門極驅動來切換到關斷狀態。不過，專用門極驅動IC已被開發出來滿足這一需要。SiC MOSFET通常比其他替代品更貴

，但其高壓、高電流的能力使它們很適合用於汽車電源電路。

WBG晶體管的競爭

GaN和SiC器件都與其他成熟的半導體競爭，特別是矽LDMOS MOSFET、超級結MOSFET和IGBT。在許多應用中，這些老的器件正逐漸被GaN和SiC晶體管所取代。

例如，在許多應用中
，IGBT正在被SiC器件取代。SiC器件可在更高的頻率下開關(100千赫+與20千赫)，從而允許減少任何電感或變壓器的尺寸和成本，同時提高能效。此外
，SiC可以比GaN處理更大的電流。

總結GaN與SiC的比較
，以下是重點：

●    GaN的開關速度比Si快。

●    SiC工作電壓比GaN更高。

●    SiC需要高的門極驅動電壓。

●    超級結MOSFET正逐漸被GaN和SiC取代。SiC似乎是車載充電器(OBC)的最愛。隨著工程師們發現較新的器件並獲得使用經驗，這種趨勢無疑將持續下去。

汽車應用

許多功率電路和器件可用GaN和SiC進(jin)行(xing)設(she)計(ji)而(er)得(de)到(dao)改(gai)善(shan)。最(zui)大(da)的(de)受(shou)益(yi)者(zhe)之(zhi)一(yi)是(shi)汽(qi)車(che)電(dian)氣(qi)係(xi)統(tong)。現(xian)代(dai)混(hun)合(he)動(dong)力(li)車(che)和(he)純(chun)電(dian)動(dong)車(che)含(han)有(you)可(ke)使(shi)用(yong)這(zhe)些(xie)器(qi)件(jian)的(de)設(she)備(bei)。其(qi)中(zhong)一(yi)些(xie)流(liu)行(xing)的(de)應(ying)用(yong)是(shi)OBC、DC-DC轉換器、電機驅動器和激光雷達(LiDAR)。圖3指出了電動車中需要高功率開關晶體管的主要子係統。

圖3.  用於混合動力車和電動車的WBG車載充電器(OBC)。交流輸入經過整流、功率因數校正(PFC)，然後進行DC-DC轉換(一個輸出用於給高壓電池充電，另一個用於給低壓電池充電)。

DC-DC轉換器。這是個電源電路
，將高的電池電壓轉換為較低的電壓，以運行其他電氣設備。現在電池的電壓範圍高達600伏或900伏。DC-DC轉換器將其降至48伏或12伏

，或同時降至48伏和12伏，用於其他電子元件的運行(圖3)。在混合動力電動車和電動車(HEVEVs)中，DC-DC也可用於電池組和逆變器之間的高壓總線。

車載充電器(OBCs)。插電式HEVEV和EVs包含一個內部電池充電器，可以連接到交流電源上。這樣就可以在家裏充電
，而不需要外部的AC− DC充電器(圖4)。

主驅電機驅動器。主驅電機是高輸出的交流電機
，驅動車輛的車輪。驅動器是個逆變器，將電池電壓轉換為三相交流電
，使電機運轉。

LiDAR。LiDAR指的是一種結合了光和雷達方法來探測和識別周圍物體的技術。它用脈衝紅外激光掃描360度的區域，並檢測反射光。這些信息被轉化為大約300米(mi)範(fan)圍(wei)內(nei)的(de)詳(xiang)細(xi)三(san)維(wei)圖(tu)像(xiang)，分(fen)辨(bian)率(lv)為(wei)幾(ji)厘(li)米(mi)。它(ta)的(de)高(gao)分(fen)辨(bian)率(lv)使(shi)其(qi)成(cheng)為(wei)車(che)輛(liang)的(de)理(li)想(xiang)傳(chuan)感(gan)器(qi)，特(te)別(bie)是(shi)自(zi)動(dong)駕(jia)駛(shi)
，以(yi)提(ti)高(gao)對(dui)附(fu)近(jin)物(wu)體(ti)的(de)識(shi)別(bie)能(neng)力(li)。LiDAR裝置在12-24伏的直流電壓範圍內工作，該電壓來自於一個DC−DC轉換器。

圖4. 一個典型的DC-DC轉換器用於將高電池電壓轉換為12伏和/或48伏。高壓電橋中使用的IGBT正逐漸被SiC MOSFET所取代。

由於GaN和SiC晶體管具有高電壓、大電流和快速開關的特點，為汽車電氣設計人員提供了靈活和更簡單的設計以及卓越的性能。

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