寬帶隙（WBG）半導體多年來一直是“熱門”話題，并已從未來技術穩步進入當今主要市場領域，到2024年，市場增長預計將在未來五年中以33.4％的復合年增長率增長至18.2億美元 [1]。根據Yole Développment研究人員的研究，WBG器件使用碳化硅（SiC）或氮化鎵（GaN）材料制造，其中SiC所占比例最高，至2018年約為98％ [2]。他們預測主要的市場驅動力將是汽車，到2024年SiC約占半導體功率開關的50％。

那么，“寬帶隙”設備是什么？它們是采用具有以下特征的材料制成的半導體，即，需要相對較高的能量才能將電子從原子的“價帶”移至“導帶”。此“帶隙”以電子伏特（eV）進行測量，作為比較，傳統硅（Si）的帶隙值為1.1eV，而SiC則為3.26eV，GaN為3.4eV。寬帶隙器件還具有更好的電子飽和速度，而SiC具有特別好的導熱性。與圖1中的Si相比，這些和其他的差異產生了某些特性，并為寬帶隙器件帶來了巨大的優勢。

圖1：與硅相比，SiC和GaN材料的特性

寬帶隙器件的擊穿電壓額定值提高了10倍

如圖1所示，對于給定的厚度，電壓擊穿特性比Si好出了約10倍，例如，使用SiC材料的器件可以具有10倍薄的漂移層和10倍的摻雜濃度。對于相同的阻斷電壓，這產生的導通電阻比Si低得多，與Si相比，在相同的芯片面積上，直接產生更低的功耗。憑借其極高的導熱率，SiC芯片可以有效地將熱量引出封裝，從而在最小的空間內實現大功率。由于具有高壓擊穿特性，漏電流也較低，特別是在高溫下。

小尺寸意味著低電容和高速

寬帶隙半導體可通過高阻斷電壓實現較小的芯片尺寸，從而產生較低的內部器件電容。在開關應用中，必須在每個周期內對電容進行充電和放電，這代表著循環電流和功耗，因此，與Si相比，SiC和GaN具有更大的優勢。例如，由于柵極到源極和柵極到漏極的電容而產生的柵極電荷，在IGBT中可能是幾個微庫侖，而對于功率MOSFET則可能是數百個納米庫侖，但是對于SiC器件，即使對于大功率器件，也只有幾十個納米庫侖，例如 Infineon的FF45MR12W1M1_B11，其額定電壓為1200V和25A（圖2）。這不僅有助于快速切換，還可以降低柵極驅動器的功率要求，大型IGBT可能需要幾瓦的功率來驅動其柵極，而SiC和GaN的功率則通常為幾毫瓦。

圖2：Infineon的SiC模塊額定電壓為1200V/25A，總柵極電荷僅為62nC

寬帶隙設備讓高溫成為可能

SiC和GaN的有用特性之一，是它們能夠在比Si更高的結溫下工作。一些制造商已證明其器件可在超過500°C的峰值溫度下工作，盡管實際上，封裝將其溫度值限制為硅部件的溫度值。但寬帶隙器件更好的額定值在瞬態熱條件下具有很大的余量。與Si相比，SiC的關鍵參數隨溫度的變化（例如導通電阻和柵極泄漏）也要低得多。

應用優勢

使用寬帶隙設備的主要驅動力是降低開關應用中的損耗。現在，服務器電源等應用的效率目標通常超過98％，而這些數值實際上只能通過SiC或GaN技術來實現。但是，僅簡單地將舊技術（例如Si-MOSFET）替換為SiC時，無法實現最佳的解決方案，例如：邊沿速率將更快，從而降低設備的損耗，但EMI也將更高，需要額外的緩沖和濾波，這又增加了損耗。通過徹底的重新設計可實現全部的優勢，將工作頻率提高到開關損耗仍然很低的水平，但也可節省外部組件（尤其是磁性器件）的成本，這些組件通常會隨著頻率的增加而縮小尺寸并降低成本。隨著工作頻率的提高，電路板布局也至關重要。最佳解決方案還將取決于成本、尺寸和重量的目標，例如：在汽車電機驅動應用中，效率、尺寸和重量都得到了重視，這有可能擴大汽車的行程。外部組件在應用中影響不大，因為涉及的“磁性”是電動機繞組，電動機繞組的縮放比例取決于轉矩和功率，而不是開關的頻率。因此，不會將電機驅動開關的頻率推得太高。

在工業驅動應用中，重量可能不是問題，但是效率和尺寸的改進可以允許在機柜中安裝更多的驅動器，從而有可能節省寶貴的工廠占地面積，并提高生產效率。

設計注意項

使用寬帶隙器件進行設計時，需要注意一些事項。柵極驅動電壓對于實現最佳開關性能至關重要，并且在不同類型之間各不同：例如，Littelfuse（IXYS）為其SiC MOSFET器件LSIC1MO120E0080建議+20V/-5V的工作值和+22V/-6V的最大數值。根據數據手冊，柵極閾值電壓可低至1.8V，但為了獲得最低的導通電阻，應施加20V的電壓。當向柵極施加0V電壓時，設備將關閉，但通常建議使用負電壓來抵消源極連接中極快的di/dt引起的瞬態效應，該瞬態效應與源封裝和互連電感發生反應，從而產生瞬態電壓，可能會虛假地開啟設備。寬帶隙器件將在幾納秒內切換，但是許多實際設計會使用串聯柵極電阻和鐵氧體磁珠故意降低開關邊沿速率，以避免EMI和高di/dt問題（圖3）。

圖3：符合EMI要求的柵極電阻器控制開關速率（顯示SiC級聯）

在許多應用中，例如逆變器中的電橋電路會發生“換向”，即，電流由電感負載在開關中反向流動。對于IGBT電路，必須有一個并聯二極管以允許換向，但在MOSFET中，本體二極管是固有的，在某些情況下可以代替外部二極管。對于Si-MOSFET，二極管相對較慢并且會降低高電壓，因此效率不高。對于SiC MOSFET，二極管要快得多（提到的Wolfspeed器件典型值為45ns），但與快速Si二極管相比，二極管的正向壓降仍然較高（3.3V）。GaN器件沒有體二極管，但可以通過其通道反向傳導，但沒有反向恢復電荷。

可用設備

對于非常高頻率的應用，為避免寄生效應，首選無鉛表面貼裝類型，例如：Infineon為其GaN器件而青睞PG-HSOF-8-3封裝。不過，大多數供應商都提供含鉛TO-247封裝的零件以簡化散熱，并為同一封裝中的IGBT或Si-MOSFET等較早的技術提供簡便的升級途徑。常用器件為常關SiC MOSFET，但也可提供常開SiC JFET。諸如UnitedSiC之類的一些供應商，提供SiC JFET和Si-MOSFET組合的共源共柵。這些器件具有SiC的溫度和速度優勢，但也具有Si-MOSFET的柵極驅動的簡便性。它們沒有體二極管，但在低電壓降且沒有反向恢復的情況下，沿反向傳導。它們也有“堆疊”版本，可用于更高的電壓的應用。

應用

在功率因數校正和轉換階段，SiC半導體被牢固地建立在AC-DC電源中，數據中心是它們對更高功率密度和節能要求的主要驅動力。SiC現在普遍應用于電機驅動器和逆變器中，電動汽車充電設備則是其主要的應用。電動汽車和鐵路等其他領域的牽引逆變器，也正在從IGBT過渡到SiC。此外，其他技術也占有一席之地，但SiC被認為在更高頻率和更寬功率范圍內占據主導地位（圖4）。

圖4：功率開關市場中的SiC (來源: Infineon)

上述提及的SiC器件以及更多器件產品，可從經銷商TME Electronic Components[3]處購得。