東芝級聯(lián)共源共柵技術(shù)解決GaN應用痛點(diǎn)

受訪(fǎng)人：黃文源  東芝電子元件（上海）有限公司半導體技術(shù)統括部技術(shù)企劃部高級經(jīng)理

1.氮化鎵和碳化硅同屬第三代半導體，在材料特性上有什么相似之處和不同之處？根據其不同的特性，分別適用在哪些應用領(lǐng)域？貴公司目前在SiC和GaN兩種材料的半導體器件方面都有哪些主要的產(chǎn)品？

　　回答：自從半導體產(chǎn)品面世以來(lái)，硅一直是半導體世界的代名詞。但是，近些年，隨著(zhù)化合物半導體的出現，這種情況正在被逐漸改變。通常，半導體業(yè)界將硅（Si）作為第一代半導體的代表，將砷化鎵(GaAs)、銻化銦(InSb)作為第二代半導體的代表，那么，氮化鎵(GaN)和碳化硅(SiC)就是典型的第三代半導體的代表了。

　　和傳統的Si功率半導體相比，GaN和SiC有著(zhù)更高的電壓能力、更快的開(kāi)關(guān)速度、更高的工作溫度、更低導通電阻、功率耗散小、能效高等共同的優(yōu)異的性能,是近幾年來(lái)新興的半導體材料。但他們也存在著(zhù)各自不同的特性，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，GaN的開(kāi)關(guān)速度比SiC快，SiC工作電壓比GaN更高。GaN的寄生參數極小，極高的開(kāi)關(guān)速度，比較適合高頻應用，例如：電動(dòng)汽車(chē)的DC-DC轉換電路、OBC、低功率開(kāi)關(guān)電源以及蜂窩基站功率放大器、雷達、衛星發(fā)射器和通用射頻放大器等；SiC MOSFET的高壓高電流的能力以及易驅動(dòng)特性，使其適合于大功率且高效的各類(lèi)應用，例如：列車(chē)逆變器系統，工業(yè)電源、太陽(yáng)能逆變器和UPS高性能開(kāi)關(guān)電源等等，可以大大提升效率，功率密度等性能。

　　東芝作為SiC和GaN產(chǎn)品的早期研究開(kāi)發(fā)者者之一，擁有自己獨特的SiC和GaN產(chǎn)品技術(shù)。

　　今年初，東芝推出了兩款全新碳化硅（SiC）MOSFET雙模塊---“MG600Q2YMS3”和“MG400V2YMS3”：前者額定電壓為1200V，額定漏極電流為600A；后者額定電壓為1700V，額定漏極電流為400A。作為東芝首批具有上述額定電壓的產(chǎn)品，它們與之前發(fā)布的MG800FXF2YMS3共同組成了1200V、1700V和3300V器件產(chǎn)品線(xiàn)。

　　這兩種新模塊在安裝方式上兼容廣泛使用的硅（Si）IGBT模塊。兩種新模塊的低損耗特性滿(mǎn)足了工業(yè)設備對提高效率、減小尺寸的需求，適合于軌道車(chē)輛的逆變器和轉換器、可再生能源發(fā)電系統、電機控制設備、高頻DC-DC轉換器等應用場(chǎng)景

　　在這之前，東芝已經(jīng)推出了1200V SiC MOSFET以及650V碳化硅肖特基勢壘二極管（SiC SBD）等SiC相關(guān)產(chǎn)品，至此已擁有了較為豐富的SiC產(chǎn)品系列。

　　在GaN方面，今年的1月31日東芝發(fā)布了全球首個(gè)集成于半橋（HB）模塊的分流式MOS電流傳感器。當其用于氮化鎵（GaN）功率器件等器件時(shí)，該傳感器可使電力電子系統具有很高的電流監測精度，但功率損耗不會(huì )增加，并有助于減小此類(lèi)系統和電子設備的尺寸。

　　全球推行碳中和，需要更高效的電子設備，尤其是小型的系統。然而，由于半橋模塊和電流傳感器必須安裝在電感器的兩側，因此將他們集成在一塊芯片上很困難。電流檢測降低功耗（減少熱量）的同時(shí)，也會(huì )降低的精度，因為這取決于分流電阻。雖然現今的技術(shù)可實(shí)現高精度電流傳感器，但卻無(wú)法降低損耗。

　　東芝的新技術(shù)采用級聯(lián)共源共柵，將低壓MOSFET與GaN場(chǎng)效應晶體管相連用于電流傳感，因此無(wú)需使用分流電阻，避免其產(chǎn)生功耗。此外，電路優(yōu)化和尖端校準技術(shù)可保證10MHz以上的帶寬，可提高產(chǎn)品性能及測量精度。集成到半橋模塊的這款新型IC不僅提高了開(kāi)關(guān)頻率，還縮小了電容器和電感器的尺寸有助于電子設備的小型化。

　　另外，就GaN器件技術(shù)而言，東芝的新型GaN共源共柵器件與傳統的共源共柵器件有較大的不同（如圖），由于共源共柵型依靠硅MOSFET來(lái)驅動(dòng)GaN HEMT，因此通常很難通過(guò)外部柵極電阻控制其開(kāi)關(guān)速度。然而，東芝通過(guò)推出具有直接柵極驅動(dòng)的器件解決了這一問(wèn)題，驅動(dòng)IC可直接驅動(dòng)GaN HEMT?？上窆韫β势骷粯?，改變其開(kāi)關(guān)速度，因此有助于簡(jiǎn)化功率電子系統的總體設計。這種新型共源共柵器件的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，由于GaN HEMT柵極是獨立控制的，因此新器件不會(huì )因外部電壓波動(dòng)引起的硅MOSFET電壓變化而導致誤導通，從而有助于系統穩定運行。所以該新器件具有電源應用所需的可靠性，該產(chǎn)品實(shí)現了穩定的運行并簡(jiǎn)化了系統設計，能夠有效降低因誤導通而造成開(kāi)關(guān)期間產(chǎn)生額外能量損失的風(fēng)險，并可像硅一樣，輕松調節開(kāi)關(guān)速度，這是電力電子系統設計中需考慮的重要因素。

2.功率器件是第三代半導體的重要應用領(lǐng)域之一，您認為，相比于傳統功率半導體器件，第三代半導體在功率器件應用方面有哪些技術(shù)上的優(yōu)勢，又能帶來(lái)哪些技術(shù)指標方面的突破和新應用的涌現？

　　回答：以SiC和GaN為代表的第三代半導體是近幾年來(lái)新興的功率半導體，和傳統的Si功率半導體相比，有著(zhù)耐壓高，導通電阻小，寄生參數小等的優(yōu)異的性能。

　　由于碳化硅（SiC）的介電擊穿強度大約是硅（Si）的10倍，因此SiC功率器件可以提供高耐壓和低壓降。與相同耐壓條件下的Si相比，SiC器件中的單位面積導通電阻更低。

　　雙極IGBT器件，在Si器件中通常用作1000V或更高的高壓晶體管。IGBT雙極晶體管與兩種載流子、電子和空穴共同作用，通過(guò)將少數載流子和空穴注入漂移層中，從而降低漂移層的電阻。但是，雙極晶體管的缺點(diǎn)是由于少數載流子的積累而在關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的拖尾電流，這會(huì )增加關(guān)斷損耗。

　　另一方面，由于SiC MOSFET是單極器件，即便在高壓產(chǎn)品中，也只能通過(guò)電子工作，因此不會(huì )產(chǎn)生拖尾電流；同時(shí)，與Si IGBT相比，其關(guān)斷損耗也較低。因此，SiC MOSFET能夠在高頻范圍內運行，這對于Si IGBT來(lái)講，是很難實(shí)現的。此外，無(wú)源元件也有助于設計小型化。

　　與IGBT模塊相比，SiC MOSFET模塊的低損耗特性可以降低總損耗（開(kāi)關(guān)損耗+導通損耗）。高速開(kāi)關(guān)和低損耗操作還有助于減小濾波器、變壓器和散熱器的尺寸，實(shí)現了緊湊、輕便的系統。這降低了逆變器系統的材料成本。此外，無(wú)風(fēng)扇冷卻系統的實(shí)現提高了可靠性和降低維護成本。

　　下圖是SiC MOSFET模塊與IGBT模塊的損耗比較

　　條件：2電平電路Fc＝7.2kHz，Fout＝50Hz，Iout＝180Arms，Vdc＝1090V

　　與IGBT相比，SiC MOSFET的低損耗特性降低了總損耗。根據上述條件進(jìn)行估算，損耗減少約80%。

　　通過(guò)將分別采用SiC MOSFET模塊與采用IGBT模塊系統的變壓器尺寸進(jìn)行比較，可實(shí)現91%的降低。高速開(kāi)關(guān)和低損耗運行減小了濾波器和變壓器以及散熱器的尺寸，實(shí)現了緊湊、輕便的系統。

　　東芝的TW070J120B 1200V SiC MOSFET具有低導通電阻、低輸入電容和低柵極電荷總量的特性，因而可實(shí)現高速開(kāi)關(guān)并降低功耗。其目標應用為工業(yè)設備用400V AC輸入AC-DC轉換器以及雙向DC-DC轉換器（如光伏模塊和UPS的轉換器）。

　　與1200V硅絕緣柵雙極晶體管（IGBT）GT40QR21相比，TW070J120B的關(guān)斷損耗降低了約

　　80%，開(kāi)關(guān)時(shí)間（下降時(shí)間）縮短了約70%。此外，對低于20A[1]的電流，新產(chǎn)品還可提供

　　低導通電壓。結合低正向壓降的SiC肖特基勢壘二極管（SBD）可降低功率損耗。高柵極電壓閥值（4.2至5.8V）對于避免意外開(kāi)啟或關(guān)閉很實(shí)用。

　　注：[1] 環(huán)境溫度25℃

上圖為SiC MOSFET和IGBT關(guān)斷損耗比較[2]

上圖SiC MOSFET和IGBT關(guān)斷波形比較[2](紅色為SiC MOSFET,藍色為IGBT)

　　注：[2]GT40QR21的測試條件：VCC＝800V，IC＝10A，RG＝47Ω，Ta＝25℃，VGE＝20V／-5V,

　　感性負載：L＝300μH，TW070J120B的源極和漏極之間的二極管與感性負載并聯(lián)，用作續流二極管（Free Wheeling Diode：FWD）。

　　TW070J120B的測試條件：VDD＝800V，ID＝10A，RG＝47Ω，Ta＝25℃，VGS＝20V／-5V,

　　感性負載：L＝300μH，TW070J120B的源極和漏極之間的二極管與感性負載并聯(lián)，用作續流二極管（FWD）。

上圖為SiC MOSFET和IBGT傳導特性比較(紅色為SiC MOSFET,藍色為IGBT)

3.隨著(zhù)雙碳政策的不斷推進(jìn)，第三代半導體在節能增效方面能夠帶給相關(guān)的系統哪些全新的競爭優(yōu)勢，貴公司有哪些與第三代半導體功率器件相關(guān)的方案可以助力系統的節能增效？

        回答：與硅（Si）相比，碳化硅（SiC）是一種介電擊穿強度更大、飽和電子漂移速度更快且熱導率更高的半導體材料。因此，與硅器件相比，當用于半導體器件中時(shí)，碳化硅器件可以提供高耐壓、高速開(kāi)關(guān)和低導通電阻。鑒于該特性，其將成為有助于降低能耗和縮小系統尺寸的下一代低損耗器件。

　　解決環(huán)境和能源問(wèn)題是一個(gè)重要的全球性問(wèn)題。隨著(zhù)電力需求持續升高，對節能的呼聲以及對高效、緊湊型電力轉換系統的需求也迅速增加。

　　相比于傳統的硅（Si）MOSFET和IGBT產(chǎn)品，基于全新碳化硅（SiC）材料的功率MOSFET具有耐高壓，高速開(kāi)關(guān)，低導通電阻性能。除減少產(chǎn)品尺寸外，該類(lèi)產(chǎn)品可極大降低功率損耗。下面介紹二款基于東芝SiC MOSFET的高效率電源系統相關(guān)解決方案。

　　?方案1：5kW隔離式雙向DC-DC轉換器參考設計,使用SiC MOSFET提高電源系統的效率.該參考設計是采用1200V SiC MOSFET雙有源橋（DAB）轉換方法的5kW隔離雙向DC-DC轉換器的設計指南，下圖是該參考設計的原理方框圖：

　　該方案在Vin=750V，100%的負載條件下，能實(shí)現97%的總效率，下圖是效率曲線(xiàn)

　　本方案采用了東芝SiC MOSFET,Si MOSFET以及智能柵極驅動(dòng)IC和隔離放大器

　　?方案2：3相AC 400V輸入PFC轉換器參考設計，使用SiC MOSFET提高電源系統的效率。該參考設計是采用3相圖騰柱拓撲結構和1200V SiC MOSFET的4kW 3相AC 400V輸入PFC轉換器的設計指南，下圖是該參考設計的原理方框圖：

　　該方案在Vin=400V，100%的負載條件下，能實(shí)現97%的效率，相同條件下的功率因數為0.99，下圖是效率曲線(xiàn)：

　　本方案采用了東芝的SiC MOSFET（TW070J120B）和智能柵極驅動(dòng)IC（TLP5214A）。

4.隨著(zhù)第三代半導體材料的推廣應用，氮化鎵除了在快充領(lǐng)域迅速占領(lǐng)市場(chǎng)以外，未來(lái)還將可能在哪些領(lǐng)域嶄露頭角？貴公司有哪些產(chǎn)品和方案？

　　回答：GaN的寄生參數極小，開(kāi)關(guān)速度極高，加上高耐壓，高工作溫度范圍，比較適合高頻應用，目前其在快充領(lǐng)域已經(jīng)得到比較充分的應用，除此之外，基于GaN的上述優(yōu)異性能，已經(jīng)或者還將被應用于電動(dòng)汽車(chē)的DC-DC轉換電路、OBC、低功率開(kāi)關(guān)電源以及其他一些對耐壓、開(kāi)關(guān)損耗等性能有較高要求的電力電子系統中。

　　東芝于今年的1月31日發(fā)布了全球首個(gè)集成于半橋（HB）模塊的分流式MOS電流傳感器。當其用于氮化鎵（GaN）功率器件等器件時(shí)，該傳感器可使電力電子系統具有很高的電流監測精度，但功率損耗不會(huì )增加，并有助于減小此類(lèi)系統和電子設備的尺寸。

　　全球推行碳中和，需要更高效的電子設備，尤其是小型的系統。然而，由于半橋模塊和電流傳感器必須安裝在電感器的兩側，因此將他們集成在一塊芯片上很困難。電流檢測降低功耗（減少熱量）的同時(shí)，也會(huì )降低的精度，因為這取決于分流電阻。雖然現今的技術(shù)可實(shí)現高精度電流傳感器，但卻無(wú)法降低損耗。

　　東芝的新技術(shù)采用級聯(lián)共源共柵，將低壓MOSFET與GaN場(chǎng)效應晶體管相連用于電流傳感，因此無(wú)需使用分流電阻，避免其產(chǎn)生功耗。此外，電路優(yōu)化和尖端校準技術(shù)可保證10MHz以上的帶寬，可提高產(chǎn)品性能及測量精度。集成到半橋模塊的這款新型IC不僅提高了開(kāi)關(guān)頻率，還縮小了電容器和電感器的尺寸有助于電子設備的小型化。這類(lèi)可提高功率轉換器效率的功率半導體將為實(shí)現碳中和目標做出貢獻。