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市場趨勢和更嚴格的行業標準推動電子產品向更高能效和更緊湊的方向發展。寬禁帶產品有出色的性能優勢，有助于高頻應用實現高能效、高功率密度。安森美半導體作為頂尖的功率器件半導體供應商，除了提供適合全功率范圍的高性能硅方案，也處于實現寬禁帶的前沿，具備全面的寬禁帶陣容，產品涵蓋碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)分立器件、模塊乃至圍繞寬禁帶方案的獨一無二的生態系統，為設計人員提供針對不同應用需求的更多的選擇。 寬禁帶應用趨勢 據市場調研機構IHS，從2016年到2027年SiC和GaN應用將激增，包括電動/混動汽車及充電樁基礎設施、太陽能逆變器、電源、工業電機驅動、不間斷電源(UPS)、軍事/航空等應用領域，其中電動/混動汽車、太陽能逆變器、電源將是主要的應用市場。 圖1直觀地表示了各功率器件的頻率、輸出功率及汽車寬禁帶應用。Si的功率覆蓋范圍較廣，但頻率不上去。超級結（SJ）的產品可以提高工作頻率，使用的范圍更廣一點。SiC相對具有高頻、高功率的能力，但頻率范圍比GaN低一點，而GaN有最高頻率范圍，功率卻相對低一點。 以汽車應用為例，在汽車功能電子化的趨勢下，為實現更高的能效，要提高電池電壓，這就需要考慮寬禁帶方案。如SiC可用于要求小型化、高功率的應用，如牽引逆變器，采用400 V電池的逆變器能效增加65%，采用800 V電池的逆變器能效提升則可達80%。 GaN則在車載充電(OBC)方面更有優勢，因為OBC的可用空間有限，而GaN頻率范圍更高，可縮減系統體積，降低開關損耗，實現更高能效。 封裝將是市場上寬禁帶產品用于汽車的關鍵：高功率模塊用于逆變器以優化散熱，減小尺寸；為支持高能效的高頻開關，需采用極低電感的封裝或模塊用于OBC。 
圖1：各類功率器件的頻率、輸出功率范圍及汽車寬禁帶應用 當然，還有很多系統采用Si技術就可以滿足需求，寬禁帶器件的成本比硅器件要高，所以需要根據應用需求和成本去綜合考量具體使用哪一種技術，以優化設計。安森美半導體的優勢在于擁有全系列Si、SJ、SiC和GaN技術以支持客戶。 安森美半導體的SiC二極管具有同類最佳的性能和可靠性 SiC二極管沒有反向恢復電流，開關性能與溫度無關，這比硅二極管大大降低了開關損耗，具有更佳的熱性能，從而實現更高能效。更快的開關還支持設計人員減少磁性線圈和相關的無源器件的尺寸，從而增加功率密度，降低物料單（BOM）成本。SiC產品能穩定的開關于寬溫度范圍，零電壓恢復消除了電壓過沖也有助于SiC的高性能。 安森美半導體的SiC技術具有獨特的專利終端結構，進一步加強可靠性并提升穩定性和耐用性，提供更高的雪崩能量、業界最高的非鉗位感應開關（UIS）能力和最低的漏電流。安森美半導體的650 V和1200 V SiC技術結合優越的開關性能、更高可靠性和低電磁干擾（EMI），非常適合下一代電源轉換應用，如太陽能逆變器、電源、電動汽車和工業自動化。其中，650 V、1200 V SiC 二極管系列分別提供6 A到50 A、5 A到50 A的額定電流，都提供表面貼裝和通孔封裝，包括TO-247、TO-220、D2PAK、DPAK和易于以現有的電路板制造能力整合的裸片/晶圓，且都具有零反向恢復、比同類最佳的競爭器件更低的正向電壓、不受溫度影響的電流穩定性、承受更高的浪涌電流和正溫度系數，從而實現極佳的強固性。 例如，安森美半導體1200 V、15 A的一款SiC二極管，雪崩電流接近200 A (3500 A/cm2)，8.2 ms 脈沖可以承受158 A (>10倍 額定值) 非破壞性的浪涌電流，33 µs 脈沖可以承受740 A更高的浪涌電流，而小很多的電流將會使一個平面肖特基二極管發生故障。我們在85C/85% RH的高溫度/濕度/偏置VCE=960V的測試條件下進行了對比測試，結果顯示，競爭SiC器件(1200V、8A)在168小時后發生故障，而安森美半導體SiC器件(1200V, 10A)通過了1000小時的測試，可見安森美半導體的SiC二極管的可靠性更高。 表1. 安森美半導體的650 V SiC二極管
表2. 安森美半導體的1200 V SiC二極管
其中，FFSHx0120和FFSHx065是符合AEC-Q101車規的汽車級SiC二極管，能在惡劣的電氣環境中可靠地工作，為汽車應用帶來能效、性能、功率密度等多方面的顯著優勢。 SiC MOSFET門極驅動器用于高性能的工業逆變器和電機驅動器 SiC MOSFET有獨特的門極驅動要求。安森美半導體的NCP51705 是經優化的SiC MOSFET門極驅動器，具備高度的靈活性和集成度，能高效、可靠地驅動市場上任何SiC MOSFET。峰值輸出電流高達6 A，正額定電壓可擴展，集成負壓充電泵，能提供-5 V驅動電壓，可調的欠壓保護(UVLO)，退飽和(DESAT)檢測短路保護，過熱關斷保護。NCP51705支持設計人員根據需求進行調試，具有簡單的BoM，無需額外的DC-DC電路，提供負壓實現快速關斷，采用4 mm x 4 mm QFN24的極小封裝，適用于工業逆變器、電機驅動、高性能功率因數校正(PFC)、AC-DC及DC-DC轉換器。圖2所示為SiC MOSFET門極驅動器NCP51705的典型線路圖。
圖2：典型的半橋隔離門極驅動電路 SiC MOSFET門極驅動器要點包括： 類似于傳統的硅MOSFET驅動器, 在開關時提供高峰值電流，以對CGS和CGD電容快速充放電 為實現最低的RDS(ON，在導通時間內需要提供20V至22V 門極驅動電壓 為實現最快的關斷速度和在關態期間不受dV/dt 影響，在關斷期內驅動器應將門極拉至 約-5V 通過使用低電感封裝或共同封裝來減輕驅動或開關時源電感的負反饋效應，如漏感引起的振蕩、干擾等 安森美半導體提供寬禁帶生態系統 為加速設計，安森美半導體提供一個重點圍繞寬禁帶方案的獨一無二的生態系統，包括SiC、GaN、門極驅動、創新的封裝和先進的仿真工具SPICE模型。該SPICE模型直觀、準確、具預測性，支持系統級仿真，設計人員可有把握地仿真數據表中未涵蓋的工作條件，從而提前在仿真過程進行評估，加快開發流程。該SPICE模型還可連接到多種行業標準的仿真平臺端口。 總結 寬禁帶產品提供卓越的性能優勢，將越來越多地用于太陽能逆變器、電動汽車、數據中心等高壓電源應用，但目前成本壓力較大，而有些系統其實用硅方案就可滿足需求，所以硅方案也是有很大的使用空間，并且超級結技術可延展硅的使用場景。安森美半導體作為全球第二大電源半導體供應商，提供適合全功率范圍的高性能硅方案、650 V和1200 V SiC二極管，并即將推出1200V SiC MOSFET和650V GaN MOSFET，配以先進的封裝技術和直觀、準確的SPICE模型，有助于提供一個完整的生態系統，幫助設計人員以適當的成本實現最適合應用所需的優化的設計，并加快設計進程。 |
