新興的SiC和GaN功率器件市場(chǎng)未來(lái)10年預(yù)計(jì)增長(zhǎng)18倍，主要需求市場(chǎng)是電源、光伏逆變器和工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。SiC肖特基二極管已經(jīng)有10年以上歷史，但SiC MOSFET、SiC JFET和SiC BJT近年才出現(xiàn)，GaN功率器件更是剛剛才在市場(chǎng)上出現(xiàn)。他們誰(shuí)會(huì)成為未來(lái)新興功率器件市場(chǎng)的主角？我們現(xiàn)在應(yīng)該選用他們嗎？
在這些新興功率器件中，我們選取了其中最具代表性的產(chǎn)品逐一介紹，在對(duì)比中觸摸他們的發(fā)展脈搏，看看誰(shuí)將在未來(lái)新興功率器件市場(chǎng)中勝出？我們又該如何選擇？
高效、高可靠性：SiC BJT產(chǎn)品可實(shí)現(xiàn)較高的效率、電流密度和可靠性，并且能夠順利地進(jìn)行高溫工作。此外，SiC BJT有優(yōu)良的溫度穩(wěn)定性，在高溫工作的特性跟常溫時(shí)沒(méi)有差別。SiC BJT其實(shí)具備了所有IGBT的優(yōu)點(diǎn)并同時(shí)解決了所有使用IGBT設(shè)計(jì)上的瓶頸。由于IGBT是電壓驅(qū)動(dòng)，而SiC BJT 是電流驅(qū)動(dòng)，設(shè)計(jì)工程師要用SiC BJT取代IGBT，開(kāi)始時(shí)可能會(huì)不習(xí)慣，但是器件供應(yīng)商，如GeneSiC，一般都會(huì)提供參考設(shè)計(jì)，以幫助工程師設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)線路。將來(lái)這方面的專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)芯片推出后，使用SiC BJT就會(huì)更簡(jiǎn)化。
損耗低，可降低成本：SiC BJT的Vce降低了47%，Eon降低了60%，Eoff降低了67%。SiC BJT可提供市場(chǎng)上最低的傳導(dǎo)損耗，室溫時(shí)，每平方厘米R(shí)on小于2.2毫歐姆。SiC BJT可提供最小的總損耗，包括驅(qū)動(dòng)器損耗。SiC BJT是有史以來(lái)最高效的1200V 功率轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，SiC BJT實(shí)現(xiàn)了更高的開(kāi)關(guān)頻率，其傳導(dǎo)和開(kāi)關(guān)損耗較IGBT低(30-50%)，從而能夠在相同尺寸的系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)高達(dá)40%的輸出功率提升。
2KW從400V到800V的升壓電路，用硅IGBT實(shí)現(xiàn)時(shí)只能實(shí)現(xiàn)25KHz開(kāi)關(guān)頻率，而且需要用到5個(gè)薄膜電容，而用SiC BJT實(shí)現(xiàn)時(shí)，不僅開(kāi)關(guān)頻率可做到72KHz，而且只需要用到2個(gè)薄膜電容，散熱器尺寸、電感尺寸都降低三分之一，亦即可用更小的電感，從而大大節(jié)省系統(tǒng)總BOM成本。
提高電源的開(kāi)關(guān)頻率，實(shí)現(xiàn)高頻化：傳統(tǒng)IGBT最大缺點(diǎn)是開(kāi)關(guān)速度慢，工作頻率低，它在關(guān)斷時(shí)有個(gè)電流尾巴會(huì)造成很高的關(guān)斷損耗。SiC BJT開(kāi)關(guān)速度快又沒(méi)有IGBT關(guān)斷是電流尾巴，所以開(kāi)關(guān)損耗很低。在相同額定耐壓情況下，SiC BJT的導(dǎo)通內(nèi)阻也比IGBT的VCE(sat)來(lái)得低，這可以減少傳導(dǎo)損耗。
SiC BJT最佳的應(yīng)用場(chǎng)合是大于3000W功率的電源設(shè)計(jì)，這類(lèi)電源很多是用IGBT來(lái)做開(kāi)關(guān)器件，以達(dá)到成本及效率上的最佳化。設(shè)計(jì)工程師如果用SiC BJT來(lái)取代IGBT，是可以很容易把電源開(kāi)關(guān)頻率大幅提升，從而縮小產(chǎn)品的體積以并提升轉(zhuǎn)換效率。由于頻率的提升，在設(shè)計(jì)上也可以減少周邊電路所需的電感，電容的數(shù)目，有助于節(jié)省成本。另一方面，SiC BJT的開(kāi)關(guān)速度很快，可在<20nS內(nèi)完成開(kāi)關(guān)動(dòng)作，這樣的速度甚至比MOSFET還快，所以它也是可以用來(lái)取代MOSFET的。
跟雙極型IGBT器件比較，SiC BJT具有更低的導(dǎo)通內(nèi)阻，能進(jìn)一步降低傳導(dǎo)損耗。SiC BJT的高溫度穩(wěn)定性，低漏電，都超越了IGBT及MOSFET。此外，它的內(nèi)阻呈正溫度系數(shù)變化，很容易并聯(lián)起來(lái)使用以作大功率的電源設(shè)計(jì)。
受制于制造成本和產(chǎn)品良率影響，目前阻礙SiC產(chǎn)品大規(guī)模進(jìn)入市場(chǎng)的主要原因是價(jià)格昂貴，一般是同類(lèi)Si產(chǎn)品的10倍左右。我個(gè)人認(rèn)為2013年SiC市場(chǎng)將正式啟動(dòng)，在未來(lái)2-3年SiC BJT器件有可能首先成為最先被市場(chǎng)接受的產(chǎn)品。在2015年左右SiC器件產(chǎn)品良率將會(huì)大幅度提升，價(jià)格也將下降，那時(shí)SiC產(chǎn)品可能會(huì)實(shí)現(xiàn)規(guī)模應(yīng)用?！?
那么SiC MOSFET與SiC BJT相比有什么優(yōu)勢(shì)呢？
SiC MOSFET是在2010年中推出市場(chǎng)的，這期間有不少工程師開(kāi)始接觸到SiC MOSFET，對(duì)它的特性也比較了解。SiC MOSFET在使用上，尤其是驅(qū)動(dòng)方面是很接近傳統(tǒng)的IGBT，所以取代IGBT占有一些優(yōu)勢(shì)。但是SiC BJT的生產(chǎn)成本比SiC MOSFET來(lái)得高，長(zhǎng)期而言，哪一類(lèi)的SiC解決方案會(huì)被市場(chǎng)接受將會(huì)取決于成本。此外，許多設(shè)計(jì)工程師也關(guān)注SiC MOSFET閘極氧化層(oxidation layer)在長(zhǎng)期工作的可靠性，是有可能會(huì)影響器件的工作壽命，而SiC BJT在結(jié)構(gòu)上則沒(méi)有這個(gè)閘極氧化層，在可靠性是沒(méi)有這個(gè)隱憂。
到2022年，SiC MOSFET營(yíng)收預(yù)計(jì)可達(dá)到4億美元，超過(guò)SiC肖特基二極管成為最受市場(chǎng)歡迎的SiC分立器件。與此同時(shí)，預(yù)計(jì)SiC JFET和SiC BJT到2022年的營(yíng)收將不到SiC MOSFET的一半，盡管它們有可能已實(shí)現(xiàn)良好的可靠性、價(jià)格和性能。
目前終端用戶偏好SiC MOSFET，因?yàn)槌杀镜膯?wèn)題。但是為了提高產(chǎn)品的性能，SiC BJT將會(huì)作為首選。所以目前SiC BJT供應(yīng)商目前面臨的一個(gè)主要挑戰(zhàn)是如何教育它們的潛在客戶接受這些新的技術(shù)。
GaN剛剛起步但后勁十足
GaN是一種寬帶隙材料，可提供類(lèi)似SiC的性能特色，但有更大的成本降低潛力。這一性價(jià)比優(yōu)勢(shì)是有可能實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)镚aN功率器件可在硅襯底上生長(zhǎng)出來(lái)，與SiC襯底相比，它的成本更低。
GaN 在 600V/3KW 以下的應(yīng)用場(chǎng)合比較占優(yōu)勢(shì)，并有可能在這些應(yīng)用取代MOSFET或IGBT,這些應(yīng)用包掛了微型逆變器，伺服器，馬達(dá)驅(qū)動(dòng),UPS。
由于全球經(jīng)濟(jì)的不景氣和SiC的價(jià)格下降幅度并不如預(yù)期的大，SiC和GaN功率器件需求市場(chǎng)近幾年并沒(méi)有出現(xiàn)強(qiáng)烈增長(zhǎng)。與之相反，業(yè)界對(duì)GaN技術(shù)的信心開(kāi)始增長(zhǎng)，因?yàn)楦嗟陌雽?dǎo)體供應(yīng)商宣布了GaN開(kāi)發(fā)計(jì)劃。例如，Transphorm已經(jīng)成為第一家。
決定GaN功率器件未來(lái)市場(chǎng)增長(zhǎng)速度的關(guān)鍵因素是GaN功率器件的成本和性能多快做到與硅MOSFET差不多的水平，CNT預(yù)計(jì)這有可能要到2019年才能實(shí)現(xiàn)，一旦2019年業(yè)界能實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，我們預(yù)計(jì)2022年的GaN功率器件需求市場(chǎng)將超過(guò)10億美元。
GaN發(fā)展之路才剛剛開(kāi)始，以品質(zhì)因數(shù)RQ代表的基本器件性能將得到根本性的提升。隨著人們對(duì)材料和工藝的進(jìn)一步了解，在今后三年內(nèi)性能極有希望提高2倍，在今后10年內(nèi)有望提高10倍。硅基GaN不需要封裝，因此能去除與封裝相關(guān)的一切成本、電路板面積、熱阻、電阻及封裝后功率器件經(jīng)常遇到的可靠性問(wèn)題。
看了這些新興功率器件對(duì)比，你會(huì)如何選擇呢？
