寬帶隙(WBG)半導(dǎo)體: 切實(shí)可靠的節(jié)能降耗解決方案

減少能源轉(zhuǎn)換損耗和提高能效是人們的不懈追求，新的寬帶隙 (WBG) 半導(dǎo)體是一個(gè)切實(shí)可靠的節(jié)能降耗解決方案，可以通過(guò)系統(tǒng)方式減少碳足跡來(lái)減輕技術(shù)對(duì)環(huán)境的影響。例如，我們最新的 650 V、 750 V 和 1,200 V STPOWER 系列碳化硅 MOSFET 晶體管，可以讓設(shè)計(jì)人員開發(fā)續(xù)航里程更長(zhǎng)的電動(dòng)汽車動(dòng)力總成系統(tǒng)。更高的能效可以大幅簡(jiǎn)化冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)，更小更輕的電子設(shè)備有助于最大限度降低車自重，在相同電量條件下，自重更輕的汽車行跑得更遠(yuǎn)。

意法半導(dǎo)體汽車和分立器件產(chǎn)品部(ADG) Filippo Di Giovanni

意法半導(dǎo)體的第三代碳化硅是我們的 STPOWER SiC MOSFET 技術(shù)改良研發(fā)活動(dòng)取得的新進(jìn)展，是為了更好地滿足電動(dòng)汽車廠商在用碳化硅設(shè)計(jì)的動(dòng)力電機(jī)逆變器、車載充電機(jī)和 DC-DC 轉(zhuǎn)換器時(shí)的嚴(yán)格要求。在高端工業(yè)領(lǐng)域，我們的第三代碳化硅技術(shù)還能破解所有應(yīng)用限制難題，例如充電樁等產(chǎn)品。第三代 STPOWER SiC MOSFET 在導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗方面都比上一代有所改進(jìn)。所涉及的主要品質(zhì)因數(shù)是導(dǎo)通電阻和柵極電荷與導(dǎo)通電阻的乘積兩個(gè)重要參數(shù)。與硅基 MOSFET 相比，改進(jìn)幅度非常大，總損耗降低高達(dá) 80%。目前在全球有 90 多個(gè)不同的項(xiàng)目在用第三代平面 STPOWER SiC MOSFET。選擇它們是因?yàn)檫@項(xiàng)技術(shù)極大地提高了能效。從意法半導(dǎo)體設(shè)計(jì)角度來(lái)看，我們現(xiàn)在專注于下一次迭代，第四代碳化硅技術(shù)將在減少總損耗方面又向前邁進(jìn)一步，有助于進(jìn)一步提高能效。

在 SiC 方面，意法半導(dǎo)體依靠與主要合作伙伴簽署的戰(zhàn)略供應(yīng)協(xié)議采購(gòu)體晶圓，維持制造活動(dòng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。與此同時(shí)，我們正在構(gòu)建一個(gè)完全垂直整合制造模式，確保我們的供應(yīng)鏈有很高的穩(wěn)健性和韌性，同時(shí)融合我們收購(gòu)的公司 Norstel AB（現(xiàn)已更名為 ST SiC AB）的襯底設(shè)計(jì)和生產(chǎn)業(yè)務(wù)。我們的既定目標(biāo)是滿足我們所有的襯底需求，到 2024 年，內(nèi)部采購(gòu)比例達(dá)到 40%。

氮化鎵 GaN 是另一個(gè)重要的寬帶隙半導(dǎo)體材料，在技術(shù)成熟度方面稍微落后于碳化硅 SiC。盡管如此，設(shè)備制造商還是繼續(xù)采用氮化鎵設(shè)計(jì)產(chǎn)品，主要用于開發(fā)大規(guī)模市場(chǎng)產(chǎn)品如電源適配器和無(wú)線充電器等。氮化鎵在汽車市場(chǎng)上應(yīng)用前景廣闊，可用于開發(fā)下一代車載充電機(jī)和 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。換言之，意法半導(dǎo)體第三代 SiC 領(lǐng)先于市面上現(xiàn)有的 GaN 技術(shù)。這兩種材料可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，碳化硅適合高壓和高功率應(yīng)用領(lǐng)域，而氮化鎵更適合高開關(guān)頻率的中低功率轉(zhuǎn)換器。

今天，GaN 非常有效地解決了無(wú)線和有線充電器市場(chǎng)需求。因?yàn)榈壊牧咸匦?，現(xiàn)在市面上出現(xiàn)了新一代纖薄輕巧的 PC 適配器。其他有前景的應(yīng)用包括可再生能源，例如，太陽(yáng)能逆變器。氮化鎵的高頻開關(guān)特性還可用于設(shè)計(jì)未來(lái)電動(dòng)汽車的車載充電機(jī)和 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。意法半導(dǎo)體推出了 650 V 開關(guān)管全系產(chǎn)品，為用戶提供多個(gè)不同的封裝選擇，其中一些產(chǎn)品的內(nèi)部寄生電感非常小，可以改善高頻開關(guān)操作性能。這些優(yōu)點(diǎn)還讓設(shè)計(jì)人員選用體積重量更小的無(wú)源器件。2022 年底，100 V GaN 晶體管將會(huì)上市，這些產(chǎn)品可用于 48 V 輕混汽車和數(shù)據(jù)中心和電信設(shè)備的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。

未來(lái) GaN 和硅將共存多年，我們將繼續(xù)改進(jìn)基于傳統(tǒng)硅材料的低壓和高壓 MOSFET 和 IGBT 產(chǎn)品。例如，對(duì)于續(xù)航里程要求不高的城市通勤電動(dòng)汽車，IGBT 就足夠了，而且經(jīng)濟(jì)劃算。另一方面，800 V 電源總線的運(yùn)動(dòng)型汽車，因?yàn)樾阅苁亲罱K目標(biāo)，所以最好采用 SiC。另一個(gè)例子是 5G 基站電源：意法半導(dǎo)體的超結(jié) STPOWER MOSFET 系列具有良好的性價(jià)比，非常適合這類應(yīng)用。

(注：本文轉(zhuǎn)載自《電子產(chǎn)品世界》2022年7月期)