宽禁带技术如何带来颠覆性变革

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STMCU小助手发布时间：2023-12-8 16:29

技术帖
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文章简介:	“四两拨千斤”，宽禁带技术如何颠覆性创新

在半导体行业，新的材料技术有“四两拨千斤”的魔力，轻轻松松带来颠覆性变革。具有先天性能优势的宽禁带半导体材料脱颖而出。

在整个能源转换链中，宽禁带半导体的节能潜力可为实现长期的全球节能目标作出贡献。宽禁带技术将推动电力电子器件提高效率、提高密度、缩小尺寸、减轻重量、降低总成本，因此将在数据中心、智能楼宇、个人电子设备等应用场景中为能效提升作出贡献。

宽禁带材料让应用性能炸裂，怎么做到的？

宽禁带材料的优势主要体现在：
✦ 与传统的硅基半导体材料相比，宽禁带产品具有更宽更高的禁带宽度、电场强度，更高的击穿电压。
✦ 宽禁带材料的电子饱和迁移速率与传统的硅基半导体材料相比快3倍，所以宽禁带半导体器件具有更高的开关频率。像ST的碳化硅，具有百k级以上的开关频率，而氮化镓具有更高的开关频率，开关频率达到1MHz以上。
✦ 更好的热传导性使宽禁带功率器件具有更好的热性能，可减少系统对热冷却的要求，大大降低散热设备的尺寸，以及系统成本。宽禁带的材料熔点非常高，使功率器件有更高的结温。

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碳化硅SiC和氮化镓GaN宽禁带功率器件的研发是未来工业自动化能效和性能提升的关键。意法半导体在这些领域持续技术创新，为工业设备提供更长的使用寿命、更高的运行效率和更低的能耗，从而推动工业自动化向更绿色、更智能的方向发展。

意法半导体碳化硅产品及技术规划
ST提供采用不同技术的STPOWER SiC MOSFET产品，电压范围从650V到1700V。这些器件可以将能量损失降低50%，提高开关频率，缩减产品尺寸，降低重量以及整体拥有成本

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ST碳化硅MOSFET的优势主要体现在：
✦ 在很高结温下可以实现较低的能量损耗和Ron，适用于更高的开关频率以及更小更轻的电源系统。
✦ 热性能出色，由于材料熔点非常高，工作温度可达200度，降低了系统的冷却要求，延长使用寿命。
✦ 易于驱动，完全兼容市场现有的所有标准栅极驱动器。
✦ 非常快速和坚固的本征体二极管，有利于实现更紧凑的逆变器。

ST目前量产的是第三代SiC MOSFET，以1,200V为例，第一代、第二代、第三代产品的Ron x Area在成倍降低，其优势主要是：
✦ 更小的Ron x Area上代表整体输出功率有所提高，电源模块在相同的尺寸可以实现更高的功率。
✦ Ron x QG减小，可以拥有更高的开关频率，更低的开关损耗。

ST SiC MOSFET产品组合包括650V、700V、1,200V和1,700V系列。第三代产品主要集中在650V、750V和1,200V。1,700V大批量用在太阳能辅助电源上。2,000V以上的碳化硅MOSFET也在开发中。

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ST第三代 SiC MOSFET产品提供丰富的封装可选，包括裸片、分立功率封装（STPAK、H2PAK-7L、HiP247-4L和HU3PAK）和ACEPACK系列的功率模块。这些封装为设计者提供了创新功能，例如，专门设计的冷却片可简化芯片与电动汽车应用的基板和散热器的连接，这样，设计人员可以根据应用选择专用芯片，例如，动力电机逆变器、车载充电机 (OBC)、DC/DC变换器、电子空调压缩机，以及工业应用，例如，太阳能逆变器、储能系统、电机驱动装置和电源。

对比传统的IGBT模块，目前碳化硅模块成本还较高。随着市场玩家增多，产能逐渐扩大，其价格将会明显下降，优势更加明显，更高的开关频率、更低的开关损耗，可减少外围电路尺寸，并降低系统成本，使碳化硅模块成为未来的发展方向。因此，碳化硅模块也是ST的主要发力方向。

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意法半导体功率氮化镓产品技术规划
GaN被视为是另一种即将迎来大规模商用机遇的第三代半导体器件。GaN主要应用在射频和功率器件两个方面，而ST采取的策略是双管齐下，同时布局功率转换GaN和射频功率GaN技术。它能与SiC技术互补，满足客户对功率器件的需求。

ST的GaN产品主要应用在更高效、更高功率密度下的开关电源上，细分市场包括服务器和通信电源、OBC和机电一体化平台，以及能源生成、充电站和电力转换。

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2021年12月，意法半导体STPOWER产品组合推出了一个新系列——PowerGaN，并于近期宣布量产。ST POWER™ GaN晶体管提高了墙插电源适配器、充电器、照明系统、工业电源、可再生能源发电、汽车电气化等应用的性能。

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GaN产品主要封装形式包括PowerFLAT 5x6 HV，DirectGaN DSC PEP，PowerFLAT 8x8 DSC，LFPAK 12x12 TSC/BSC。

PowerFLAT 5x6 HV已有相应产品量产，并得到认证。

DirectGaN DSC PEP是双面散热，应用具有开尔文源极，外形灵活。

PowerFLAT 8x8 DSC也是双面散热，封装外形较小。也具有开尔文源极，采用铜夹技术，具有更小的寄生参数。

LFPAK 12x12 TSC/BSC也采用铜夹技术，具有开尔文源，可靠性更高，寄生参数更小，热阻更低，该封装以及相应产品完全通过了所有认证，符合AEC-Q101这样的汽车等级要求。

ST最近发布了PowerFLAT5×6封装形式的产品，后续还将推出PowerFLAT 8×8和LFPAK 12×12等封装形式，以及DirectGAN DSC。

未来，GaN还有望实现新的功率转换拓扑结构，进一步提高能效，并降低功耗。意法半导体的GaN器件将加速功率转换系统向GaN宽带隙技术过渡。

转载自：意法半导体PDSA
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