Si、SiC和GaN这三种材料共存到底该如何选择

碳化硅(SiC)是最成熟的WBG宽带隙半导体材料，已被广泛用于制造开关器件，如MOSFET和晶闸管。氮化镓(GaN)具有作为功率器件的半导体的潜力，并且它是硅在射频应用中的重大改进。

Cree推出首款商用900V SiC功率MOSFET，近期宣布推出Wolfspeed 650V SiC MOSFET产品组合；Microchip和ROHM都发布了新的SiC MOSFET和二极管；凌影2017年底推出氮化镓器件，今年2月8款650V CoolSiC MOSFET器件；此外，意法半导体和安森半导体在WBG宽带隙半导体材料方面也有相关投资；ADI公司已生产出适合高频应用的GaN器件，并相信这种材料将有助于设计人员减小尺寸和重量，同时实现更高的效率和带宽扩展。

可见各大厂商在SiC或GaN宽带隙半导体材料方面都有自己的布局和发展策略。相比友商，英飞凌的优势在于同时拥有硅、氮化镓、碳化硅三大主力功率技术，可以完全面向客户，支持客户。

凌影为什么要开发650V SiC MOSFET？

根据IHS 据美国2019年的估计(如下图所示)，650V SiC MOSFET今年的市场份额将接近5000万美元。到2028年，市场份额将达到1.6亿美元。年复合增长率达到16%。650V SiC MOSFET的主要应用有电源、不间断电源(UPS)、电动汽车充电、电机驱动以及光伏和储能，其中电源所占份额最大。

(资料来源：IHS)

650V SiC MOSFET年复合增长率达到16%，非常可观。传统硅到现在市场规模很大，但实际上复合增长率可能是个位数。事实上，英飞凌已经超过10年碳化硅领域经验丰富，不同部门都在开发SiC产品，其中SiC二极管已经推出10多年，产品迭代到第六代。

SiC(和GaN)作为一种新材料，与传统的Si材料相比具有一些特性。(如下图所示)

首先，是带隙。新材料SiC的带隙宽度约为硅的三倍。单位面积阻断电压的能力是硅的7倍左右，电子迁移率相差不太大，但热导率也是硅的3倍以上。它的电子漂移速度大约是真实硅的两倍。那部分是物理特征。对于用户和设计者来说，好处是可以在更高的电压下运行，这也是碳化硅的特点之一。此外，它可以实现更高的效率。由于其各方面的高速性，可以使功率器件满足轻薄短小的要求，更高的开关频率可以减小体积。此外，碳化硅的散热性能优于硅。

对于半导体材料的关键特性，电子设计工程师几乎每天都在挠头思考这些问题。

而较高的临界场强使得这两种材料制成的功率半导体具有耐压高、导通电阻低、寄生参数小等优良特性。应用于开关电源领域时，具有低损耗、高工作频率、高可靠性等优点，可大大提高开关电源的效率、功率密度和可靠性。

凌影今年2月底刚刚推出的8款不同的SiC产品——650V CoolSiC MOSFET器件，额定在27 m到107 m之间。它们可以采用典型的TO-247 3引脚封装或开关损耗更低的TO-247 4引脚封装。与过去发布的所有CoolSiC MOSFET产品相比，新的650V系列基于英飞凌美国先进的沟槽半导体技术。通过充分发挥碳化硅强大的物理特性，使器件具有优异的可靠性、优异的开关损耗和传导损耗。此外，它们具有最高的跨导水平(增益)、4V阈值电压(Vth)和短路鲁棒性。总之，沟槽技术可以不折不扣地实现应用中的最低损耗和运行中的最佳可靠性。

碳化硅的驱动方式不同于传统的硅。为了让用户获得更好的元器件，优化设计，英飞凌有专门的驱动IC，配合其碳化硅MOSFET可以达到更好的效果和更高的稳定性。例如，为了简化650 V CoolSiC MOSFET的应用设计，并确保器件的高效运行，英飞凌提供了专用的单通道和双通道电气隔离EiceDRIVER栅极驱动器iC。该解决方案(集成了CoolSiC开关和专用栅极驱动器iC)有助于降低系统成本和总拥有成本，并提高能效。

硅、碳化硅和氮化镓定位的比较

至于600V/650V CoolSiC、CoolMOS、CoolGaN的应用定位，英飞凌科技电源与传感系统事业部大中华区开关电源应用高级市场经理陈庆元表示，在25V-1.7 kV电压范围内，硅仍然是主流技术，适合低到高功率应用；碳化硅的适用电压范围为650V-3.3 kV，适用于中高开关频率的大功率应用。GaN的适用电压范围为80V-650V，适用于开关频率最高的中等功率应用。在600V和650V电压水平下，CoolMOS、CoolSiC和CoolGaN可以共存，以满足以下应用的要求：电动汽车充电、电机驱动加OBC(车载充电器)、电池化成、数据中心和电信的开关电源、工业开关电源、太阳能光伏逆变器、储能、UPS和其他应用。

陈庆元说，英飞凌有更全面的应用体验和对客户更全面的了解需要是因为它拥有硅材料、碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)两种宽带隙(WBG)材料的开发和制造技术。目前在上述领域，我们根据不同客户的应用场景，都有相应的技术储备。由于技术成熟度最高，且具有性价比优势，硅仍将是未来各种功率转换领域的主要器件。而氮化镓(GaN)器件由于其在快速开关性能上的优势，在追求高效率和高功率密度方面将会快速增长，比如数据中心和服务器。三种材料中碳化硅(SiC)器件的温度稳定性和可靠性得到了市场的验证，因此在可靠性要求较高的领域，如汽车、太阳能逆变器等领域得到了快速增长。"

目前Si、SiC、GaN三种材质的功率器件将并存，谁也不会取代谁。

Si，SiC，GaN怎么选？

既然Si、SiC、GaN的产品会并存，那么iC厂商和设计师应该如何选择？

效率和功率密度都易于使用。陈庆元在文章会议中对比了这三种材料：传统硅的产品范围最大，开发时间最长，每个产品系列都比较完善，性价比最高。如果需要找性价比高的，其实硅肯定是首选。但是如果你想找到基于氮化镓的效率最高、功率密度最高、开关速度最快的器件，而且它的价格可能没有硅的优势，但是它的效率和功率密度是绝对不可替代的。但是如果易用性而且要考虑坚固性和耐用性，因为碳化硅耐高温，也就是说它的温度系数变化不大，所以从坚固性和易用性来说，碳化硅是个不错的选择。

因为宽带隙功率半导体具有硅半导体无法比拟的许多性能优势匹配，行业倾向于越来越多地使用它们。相对于传统的硅功率半导体，英飞凌还针对GaN晶体管和SiC MOSFET两种宽带隙功率半导体给出了具体的专业应用建议：

(1)由于某些原因，应用系统必须工作在200KHz以上的频率。首先是氮化镓晶体管，其次是碳化硅MOSFET；如果工作频率低于200KHz，两者都可以；

(2)应用系统从轻负载到半负载要求极高的效率，首先是氮化镓晶体管，其次是碳化硅MOSFET；

(3)应用系统的最高环境温度高，或散热困难，或满负荷要求高效率。碳化硅MOSFET是首选，氮化镓晶体管是t

(4)应用系统具有较大的噪声干扰，尤其是栅极驱动干扰。首选碳化硅MOSFET，其次是氮化镓晶体管；

(5)应用系统需要具有大短路能力的功率开关和碳化硅MOSFET是首选；

(6)对于其他没有特殊要求的应用系统，此时根据散热方式、功率密度、设计者对两者的熟悉程度等因素来确定选择哪种产品。

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