SiC 和 GaN 半導體為電源電子產品助力

對於電動車、工業電源供應器和太陽能系統的下一代電源設計，碳化矽 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 正成為首選的寬能隙 (WBG) 技術。讓我們簡要談談目前的現況，以及為何 WBG 技術或許能提供另類發展方向，並看看有哪些先進的 WBG 解決方案能幫助我們做到這一點。

從油電混合車、電動車，到資料中心以及軍用電力電子設備，SiC 與 GaN 半導體材料已能用於改善高電壓電力電子裝置的電源轉換和節能率。

例如，電動車 (EV) 中的動力傳動逆變器長期仰賴以矽為基礎的 IGBT，但電動車的設計人員越來越傾向使用在更高頻率下運作且適用於高崩潰電壓應用的 SiC MOSFET。因此，SiC 元件在油電混合與電動車領域取得強勁增長，可用的類型包括 SiC 肖特基能障二極體 (SBD)、SiC MOSFET、SiC 接面閘極場效電晶體 (JFET)，以及其他 SiC 離散元件。我們可以預期，接下來勢必會推出全 SiC 模組。

與 SiC 晶圓相比，GaN 半導體有望實現更低的成本，而且製造起來更加容易，目前已經快趕上 SiC 的產量。除了逆變器等汽車設計之外，GaN 元件現在也常用於資料中心的 DC-DC 轉換器、高電壓電源供應器及軍用電力電子產品。

SiC：更高的功率密度與可靠性

SiC 材料的寬能隙為 2.86 eV¹，而矽的寬能隙僅為 1.11 eV，因此其熱導率比矽更高。所以，SiC 材料可以為高功率應用驅動高電壓。該材料能夠提供更高的功率密度、耐用性與可靠性，非常適合用在汽車電氣化應用、太陽能逆變器及其他高功率應用的電源轉換系統。

例如，Wolfspeed (Cree 的子公司) 的 E 系列 SiC MOSFET，已針對電動車電池充電器與高電壓 DC/DC 轉換器進行最佳化。E 系列以 Wolfspeed 的第三代耐用平面技術為基礎，並已用在該公司的 6.6 kW 雙向板載充電器公版設計中。

Wolfspeed 將 E 系列 SiC MOSFET 定位為擁有業內最低的切換損耗，以及最高的效能指數 (FOM)。確實，此元件擁有低達 65 mΩ 的 R_DSon，而考量到 WBG 功率元件的電氣功率損耗和熱能限制，其效能指數在本文發表時，很可能已經到達或接近最佳水準。

此外，對於在極嚴苛環境下運作的太陽能系統，這些 SiC 元件都符合 HV-H3TRB 額定值。在恆定環境溫度為 85⁰C 且相對濕度為 85% 的環境艙中且額定阻斷電壓達到 80% 的條件下，這些元件均能符合要求。

Rohm Semiconductor 也提供第三代具有各種電流額定值和封裝的 SiC SBD。這些 SBD 大幅改善了 Vf 特性，能在降低漏電流的同時提供更高的突波電流電阻。因此，這些元件的切換損耗比矽快速復原二極體 (SiFRD) 還要低。

此外，ROHM 還推出將 SiC MOSFET 和 SBD 整合在工業標準封裝中的電源模組 (圖 1)。

圖 1：採用第三代 SiC MOSFET 的電源模組，之所以擁有較低的切換損耗，關鍵原因是 R_DS(ON) 顯著降低。(圖片來源：Rohm Semiconductor)

全 SiC 半橋電源模組的切換耗損，明顯低於傳統的 IGBT 模組，並可以 100 kHz 以上的高頻工作。

GaN：比矽更小更快

相較於矽，GaN 提供更大的能隙 (3.4 eV) 以及兩倍的電子遷移率。此外，GaN 元件的無電流崩潰特性，能縮小尺寸並提高電源轉換系統的效率。

以 EPC 的 EPC2206 元件為例 (圖 2)。EPC2206 屬於 eGaN^® FET 系列，主要針對採用 48 V 配電匯流排的汽車，以實現電子啟動停止、電子轉向、電子懸吊和變速空調等功能。EPC2206 eGaN FET 僅以含有焊條的鈍化晶粒形式供應。晶粒尺寸為 6.05 mm x 2.3 mm。

圖 2：EPC 的 EPC2206 eGaN FET 僅以含有焊條的鈍化晶粒形式供應。晶粒尺寸為 6.05 mm x 2.3 mm。(圖片來源：EPC)

EPC 的 EPC2100 半橋 GaN 電晶體，也是 eGaN FET 系列產品 (圖 3 上)。為了簡化功率 FET 與轉換器的整合設計，EPC 還提供 EPC9036 開發板 (圖 3 下)。

圖 3：EPC2100 半橋 GaN 電晶體採用含有焊錫凸塊的鈍化晶粒 (上圖)。尺寸為 6.05 mm x 2.3 mm。其中兩個並聯放置在 EPC9059 開發板上 (下圖)。(圖片來源：Digi-Key Electronics)

EPC9036 開發板擁有兩個並聯的 30 V EPC2100 eGaN IC，以及一個板載閘極驅動，可提供更高的輸出電流。此開發板具有所有關鍵的元件與佈局，可實現最佳的切換效能。

此外，還有 Transphorm 公司，其在 2017 年推出第一個符合汽車 AEC-Q101 標準的 GaN 電晶體。根據 Transphorm 的說法，其高壓 GaN FET 能在開發電源系統時提供充足的熱餘裕。TP65H035WSQA 是該公司第三代符合 AEC-Q101 標準的 GaN 元件，並已將 FET 的熱限制擴展到 175°C。這比符合 AEC-Q101 標準的高電壓矽 MOSFET 還要高 25°C。

上述的解決方案表明，SiC 和 GaN 電源元件已完全商業化。隨著這些元件繼續解決關鍵應用領域的關鍵設計難題，其產量和可用性將會增加，這將有助於更能夠成為矽型元件的直接替代品。

參考資料：

1 – http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Solids/bandgap.html#c1