SiC和GaN的技術(shù)應(yīng)用挑戰(zhàn)

1 SiC和GaN的優(yōu)勢(shì)

相比傳統(tǒng)MOSFET和IGBT方案，SiC和GaN器件提供更高的功率密度，具備更低的柵極驅(qū)動(dòng)損耗和更高的開關(guān)速度。雖然SiC和GaN在某些低于10 kW功率的應(yīng)用上有一些重疊，但各自解決的功率需求是不同的。

SiC 器件提供更高的耐壓水平和電流承載能力。這使得它們很適合于汽車牽引逆變器、車載充電器和直流/ 直流轉(zhuǎn)換器、大功率太陽能發(fā)電站和大型三相電網(wǎng)變流器等應(yīng)用。SiC 進(jìn)入市場(chǎng)的時(shí)間略長，因此它有更多的選擇，例如，相比目前可用的GaN 解決方案，SiC 支持更廣泛的電壓和導(dǎo)通電阻。

另一方面，GaN 具有更低的輸入和輸出電容，以及零反向恢復(fù)電荷，與其他技術(shù)相比，可大大降低功率耗散的特性, 使其更適合于中低壓、高頻以及更高功率密度的應(yīng)用，如消費(fèi)類產(chǎn)品、服務(wù)器、電信和工業(yè)電源、伺服驅(qū)動(dòng)器等場(chǎng)景。

高金萍(納芯微市場(chǎng)總監(jiān))

2 制約新解決方案推廣的技術(shù)挑戰(zhàn)

當(dāng)前制約SiC 和GaN 解決方案推廣的挑戰(zhàn)包括成本、開發(fā)經(jīng)驗(yàn)等。

● 成本方面，SiC 功率器件因?yàn)樯a(chǎn)工藝和良率等因素，其成本高于硅器件。但隨著近年來技術(shù)、工藝和產(chǎn)能的持續(xù)改善，SiC 與硅器件之間的成本差距正在收窄。然而從系統(tǒng)層面，SiC 可為合適的應(yīng)用在系統(tǒng)上節(jié)省更多成本，同時(shí)提供更佳的性能，從而帶來總的成本優(yōu)勢(shì)。這也是推動(dòng)納芯微持續(xù)完善相應(yīng)產(chǎn)品布局的動(dòng)力之一。

● 另外一個(gè)制約因素是相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)。因?yàn)椴捎酶吖β拭芏取⒏唛_關(guān)頻率的功率器件同時(shí)也意味著工程師需要在系統(tǒng)層級(jí)進(jìn)行全面的改版和優(yōu)化。而以納芯微為代表的芯片公司，正在積極研發(fā)和創(chuàng)新，來應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。比如在安規(guī)方面需要適配絕緣電壓更高的隔離器件，以保證系統(tǒng)和人身安全。以納芯微NSI82xx 系列數(shù)字隔離器的高壓隔離工藝為例，該工藝通過調(diào)整隔離柵的材料配比，在不影響產(chǎn)品電性能的前提下，大幅度提升了安規(guī)隔離耐壓和浪涌沖擊能力，均通過DIN VDE V 0884-11:2017-01 增強(qiáng)絕緣認(rèn)證，相關(guān)產(chǎn)品在隔離耐壓、抗浪涌沖擊、CMTI 等指標(biāo)上均處于國際領(lǐng)先的水平，滿足基于SiC 和GaN 設(shè)計(jì)的高壓應(yīng)用需求。

3 納芯微的解決方案

納芯微是一家高性能高可靠性模擬及混合信號(hào)芯片公司，在SiC 和GaN 的應(yīng)用賽道，公司用以驅(qū)動(dòng)SiC或GaN 功率器件的隔離/ 非隔離驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品已在汽車、光伏、工控客戶中得到廣泛應(yīng)用。此外，納芯微亦圍繞核心應(yīng)用對(duì)功率器件進(jìn)行積極布局，目前已對(duì)外發(fā)布SiC二極管相關(guān)產(chǎn)品。

例如，SiC 更高的開關(guān)速度伴生的干擾需要配套的隔離驅(qū)動(dòng)具備更高的抗共模干擾能力（CMTI），納芯微隔離驅(qū)動(dòng)采用專利的AdaptiveOOK^?技術(shù)，可顯著提升系統(tǒng)的抗干擾能力和魯棒性。此外，由于驅(qū)動(dòng)器件直接連接功率級(jí)，在一些高可靠性應(yīng)用中需要提供相應(yīng)的電路保護(hù)功能。針對(duì)這些應(yīng)用，納芯微提供自帶米勒鉗位功能的隔離驅(qū)動(dòng)NSI6801M，可防止誤導(dǎo)通；更進(jìn)一步，納芯微亦可提供NSI6611/NSI68515 等智能隔離驅(qū)動(dòng)，集成UVLO、米勒鉗位、DESAT 保護(hù)、軟關(guān)斷等功能，全方位保證電路可靠性。

GaN 驅(qū)動(dòng)方面， 納芯微推出的高壓半橋驅(qū)動(dòng)NSD2621 專門用于驅(qū)動(dòng)E-mode（增強(qiáng)型）GaN 功率器件，可廣泛適用于快充、儲(chǔ)能、服務(wù)器電源等應(yīng)用場(chǎng)景。NSD2621 的上管驅(qū)動(dòng)采用納芯微專有的隔離工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)，抗共模干擾能力高達(dá)150 V/ns，并且可以耐受700 V 的負(fù)壓，有效提升了系統(tǒng)的可靠性。NSD2621 上下管的驅(qū)動(dòng)輸出都集成了內(nèi)部穩(wěn)壓器LDO，可以有效抑制VDD 或BST 引入的高頻干擾，避免損壞GaN 功率器件。NSD2621 還可靈活地選擇6 V/5.5 V/5 V 不同驅(qū)動(dòng)電壓版本，適用于多種GaN 器件。

（本文來源于EEPW 2023年10月期）