在半導(dǎo)體物理中，帶隙是指固態(tài)材料中價(jià)帶（valenceband）和導(dǎo)帶（conductionband）之間的能量范圍，在其中不存在任何電態(tài)（electricalstate）�？缭綆缎枰娮訐碛凶銐虻哪芰浚ㄒ噪娮臃兀╡V）為單位），以實(shí)現(xiàn)傳導(dǎo)并產(chǎn)生電流。帶隙屬性相對(duì)較低的材料通常都是半導(dǎo)體，帶隙屬性較高的材料則為絕緣體。例如，硅的帶隙特性為1.1eV，而氮化鎵和碳化硅的帶隙值相似，范圍在3.2eV～3.4eV之間，大概是硅的三倍，由這些復(fù)合材料制成的功率半導(dǎo)體器件（例如MOSFET和JFET）更適合于馬達(dá)柵極驅(qū)動(dòng)器和開(kāi)關(guān)電路等高壓應(yīng)用。高帶隙值還能夠?qū)崿F(xiàn)較低的泄漏電流，而高電子飽和速度則允許器件在高開(kāi)關(guān)頻率下工作。
碳化硅和氮化鎵等寬帶隙材料與硅之間的其他電氣差異還包括介電擊穿電壓明顯較高，以及較高的電子遷移率。相比硅的約0.3MV/cm，SiC與GaN的擊穿電壓分別為3.5MV/cm和3.3MV/cm，這表明寬帶隙器件的擊穿電壓特性至少比硅器件好十倍。
電子遷移率是表征電子在化合物半導(dǎo)體中移動(dòng)速度的一個(gè)指標(biāo)，它突顯了SiC和GaN之間的差異以及它們分別適合的應(yīng)用。GaN的電子遷移率為2000cm^2/Vs，而硅為1500cm^2/Vs。但是，SiC的電子遷移率要慢得多，大約為650cm^2/Vs，因而不適用于高速開(kāi)關(guān)應(yīng)用。但是，GaN的電子遷移率是SiC的三倍，適合在更高的開(kāi)關(guān)頻率下工作。
寬帶隙器件的技術(shù)優(yōu)勢(shì)
熱導(dǎo)率是會(huì)影響高功率轉(zhuǎn)換和馬達(dá)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用的另一個(gè)物理特性。器件內(nèi)產(chǎn)生的熱量需要盡可能高效地傳導(dǎo)出去，而導(dǎo)熱率指標(biāo)則表示材料通過(guò)自身進(jìn)行熱量傳導(dǎo)的效率。就該指標(biāo)而言，氮化鎵的導(dǎo)熱能力略低于硅，但碳化硅的導(dǎo)熱效率卻是硅的三倍，因此非常適合高溫應(yīng)用。
圖1：碳化硅和氮化鎵寬帶隙材料與硅器件的電氣和物理特性比較。（來(lái)源：貿(mào)澤電子）
寬帶隙化合物半導(dǎo)體的另一個(gè)重要特性是其導(dǎo)通電阻（Rds（on）明顯低于硅基MOSFET，從而能夠降低功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用中的開(kāi)關(guān)損耗，而其他部分開(kāi)關(guān)損耗則發(fā)生在功率轉(zhuǎn)換器中使用的相關(guān)被動(dòng)元件，例如電感器，變壓器和電容器等。
而且，SiC和GaN器件的物理結(jié)構(gòu)比相應(yīng)的硅器件體積更小、重量更輕，從而可以實(shí)現(xiàn)更緊湊，更輕巧的半導(dǎo)體器件。由于具有尺寸較小晶片，器件內(nèi)部電容的影響減小，從而允許更快的開(kāi)關(guān)頻率。例如，對(duì)于相同的工作電壓范圍，硅MOSFET的晶片面積大約是SiCMOSFET的五倍。
憑借以上優(yōu)勢(shì)，寬帶隙半導(dǎo)體器件非常適合于功率轉(zhuǎn)換和馬達(dá)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用。這些優(yōu)勢(shì)之間彼此相互關(guān)聯(lián)，共同作用有助于實(shí)現(xiàn)更高能效、體積更緊湊和功能更強(qiáng)大的應(yīng)用。氮化鎵和碳化硅之間的差異還決定了哪種寬帶隙材料更加適合于某個(gè)特定應(yīng)用。例如，SiC具有出色的導(dǎo)熱性，因而適合用于高溫系統(tǒng)。
在基于GaN和SiC器件的電路中，由于能夠工作在更高的開(kāi)關(guān)頻率，可以使用更小的電感器和電容器，從而進(jìn)一步節(jié)省了PCB空間和材料清單成本。
實(shí)際應(yīng)用中的寬帶隙功率轉(zhuǎn)換
現(xiàn)在，可以從多家供應(yīng)商處獲得各種封裝尺寸、工藝技術(shù)和額定電壓的寬帶隙器件，這些供應(yīng)商包括英飛凌（Infineon），意法半導(dǎo)體（STMicro）和羅姆（Rohm）等。除了器件本身之外，評(píng)估板和參考設(shè)計(jì)也有助于加快原型設(shè)計(jì)和最終產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的速度。
英飛凌的CoolSiC和CoolGaN產(chǎn)品系列可以分別提供SiC和GaN器件。
CoolSiC系列器件的一個(gè)示例是1700VSiC溝道MOSFET，該器件經(jīng)過(guò)優(yōu)化，可用于反激式轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具有非常低的開(kāi)關(guān)損耗，并且與大多數(shù)12V控制器驅(qū)動(dòng)器IC兼容。該MOSFET采用TO-2637L表面貼裝格式，漏極與源極之間的爬電距離為7mm，確�？梢暂p松滿(mǎn)足最終產(chǎn)品的安全標(biāo)準(zhǔn)。此外，單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)器源極引腳有助于減少通常由柵極環(huán)路寄生電感引起的柵極振鈴（gateringing）。
上述英飛凌CoolSiCMOSFET器件還可提供參考板設(shè)計(jì)RREF_62_FLY_1700_SiC，可幫助工程師使用三相單端反激式轉(zhuǎn)換器拓?fù)浼軜?gòu)開(kāi)發(fā)輔助電源，參見(jiàn)圖2。
圖2：采用1700V英飛凌CoolSiCMOSFET的REF_62W_FLY_1700V_SiC參考板。（來(lái)源：英飛凌）。
在典型操作中，參考板以準(zhǔn)諧振模式（QRM）工作，以將EMI噪聲的影響降至最低。當(dāng)負(fù)載在滿(mǎn)功率的30％以上運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)換器可以選擇切換到非連續(xù)傳導(dǎo)模式（DCM），最大工作頻率設(shè)置為130kHz。該評(píng)估板可提供+15V、-15V和+24V三個(gè)標(biāo)稱(chēng)輸出電壓。
參考板的其他功能包括可調(diào)節(jié)的輸出過(guò)壓保護(hù)、電流過(guò)載保護(hù)、過(guò)熱條件下的自動(dòng)重啟以及Vin的過(guò)壓和欠壓保護(hù)。
英飛凌的CoolGaN產(chǎn)品系列包括一個(gè)600V增強(qiáng)模式，通常關(guān)閉的超快速開(kāi)關(guān)功率晶體管IGOT60R070D1。
該器件的最大Rdson）額定值為70mΩ，適合于在高頻半橋圖騰柱功率因數(shù)校正（PFC）電路中使用。該晶體管具有低柵極電荷和低輸出電荷特性，非常適合工業(yè)、電信和數(shù)據(jù)中心等應(yīng)用。
圖3所示為一個(gè)使用CoolGaNIGOT60R070D1器件的2500W全橋圖騰柱PFC演示板，其中顯示了在效率非常重要的應(yīng)用中使用GaN技術(shù)實(shí)現(xiàn)高達(dá)99.2％能量轉(zhuǎn)換效率的優(yōu)勢(shì)。圖騰柱PFC使用半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)而不是橋式整流器或單個(gè)二極管來(lái)構(gòu)建高效的AC/DC轉(zhuǎn)換器，控制電路使用一個(gè)65kHz恒定PWM開(kāi)關(guān)頻率和一個(gè)連續(xù)導(dǎo)通模式控制器IC。
圖3：英飛凌CoolGaN2500W全橋圖騰柱PFCAC/DC轉(zhuǎn)換器演示板。（來(lái)源：英飛凌）
意法半導(dǎo)體的寬帶隙產(chǎn)品陣容包括650V和1200V碳化硅MOSFET，參見(jiàn)圖4。產(chǎn)品示例包括SCTW70N120G2V和SCTW100N65G。
圖4：意法半導(dǎo)體的碳化硅MOSFET產(chǎn)品組合。（來(lái)源：意法半導(dǎo)體）
SCTW70N120G2V是一款采用HiP247封裝構(gòu)建的1200V器件，其Rds（on）為21mΩ，可承受91A的最大漏極電流。該MOSFET集成了一個(gè)快速且牢固的體二極管，并且具有較低的柵極電荷和輸入電容。SCTW70N120G2V適用于各種DC-DC轉(zhuǎn)換器、充電器和可再生能源系統(tǒng)等應(yīng)用。
意法半導(dǎo)體另一款SiCMOSFET是SCTW100N65G，該650V、100A寬帶隙半導(dǎo)體器件為汽車(chē)級(jí)，經(jīng)過(guò)AEC-Q101認(rèn)證，其Rds（on）為20mΩ。意法半導(dǎo)體的這兩款MOSFET均可適用于結(jié)溫為200℃的高溫應(yīng)用。
羅姆半導(dǎo)體（ROHMSemiconductor）可提供大功率碳化硅MOSFET，其中一款產(chǎn)品為SCT3033KLGC11。這款1200V、95A的器件其Rds（on）為22mΩ，最大結(jié)工作溫度為175℃。該器件的應(yīng)用包括范圍廣泛的功率轉(zhuǎn)換、太陽(yáng)能逆變器和馬達(dá)控制設(shè)計(jì)等。
我們這里介紹的最后一款產(chǎn)品是來(lái)自GaNSystems公司GS6100x系列的100VGaN增強(qiáng)型晶體管。GS61004B器件采用底側(cè)冷卻方法，其Idsmax）為38A，Rds（on）可低至18mΩ，能夠容許高于10MHz的開(kāi)關(guān)頻率。GaNSystems提供的全橋式評(píng)估板GS61004B-EVB-CD集成了兩個(gè)GS61004B晶體管。
結(jié)論
寬帶隙半導(dǎo)體預(yù)示著業(yè)界能夠達(dá)到新的能效水平和更高的開(kāi)關(guān)頻率，同時(shí)容許馬達(dá)柵極驅(qū)動(dòng)和功率轉(zhuǎn)換電路具有更高的工作溫度。采用基于碳化硅和氮化鎵的MOSFET和晶體管器件，以及互相補(bǔ)充的設(shè)計(jì)資源，現(xiàn)在可以幫助工程師實(shí)現(xiàn)下一代設(shè)計(jì)集成。
