寬帶隙 (WBG) 半導體：切實(shí)可靠的節能降耗解決方案

受訪(fǎng)人：Filippo Di Giovanni（意法半導體汽車(chē)和分立器件產(chǎn)品部(ADG)）

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？

　　意法半導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(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)廠(chǎng)商在用碳化硅設計的動(dòng)力電機逆變器、車(chē)載充電機和DC-DC轉換器時(shí)的嚴格要求。在高端工業(yè)領(lǐng)域，我們的第三代碳化硅技術(shù)還能破解所有應用限制難題，例如充電樁等產(chǎn)品。

　　氮化鎵GaN是另一個(gè)重要的寬帶隙半導體材料，在技術(shù)成熟度方面稍微落后于碳化硅SiC。盡管如此，設備制造商還是繼續采用氮化鎵設計產(chǎn)品，主要用于開(kāi)發(fā)大規模市場(chǎng)產(chǎn)品如電源適配器和無(wú)線(xiàn)充電器等。氮化鎵在汽車(chē)市場(chǎng)上應用前景廣闊，可用于開(kāi)發(fā)下一代車(chē)載充電機和DC-DC轉換器。換言之，意法半導體第三代SiC領(lǐng)先于市面上現有的GaN技術(shù)。這兩種材料可以實(shí)現優(yōu)勢互補，碳化硅適合高壓和高功率應用領(lǐng)域，而氮化鎵更適合高開(kāi)關(guān)頻率的中低功率轉換器。

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？

　　第三代STPOWER SiC MOSFET在導通損耗和開(kāi)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)因數是導通電阻和柵極電荷與導通電阻的乘積兩個(gè)重要參數。與硅基MOSFET相比，改進(jìn)幅度非常大，總損耗降低高達80%。

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？

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

4.新能源汽車(chē)和充電樁，也是第三代半導體的主要應用領(lǐng)域之一，您認為在這兩個(gè)方面，第三代半導體主要的技術(shù)應用優(yōu)勢有哪些？對系統的效率和性能，又能帶來(lái)哪些新的提升以及新應用的可能？

　　目前在全球有90多個(gè)不同的項目在用第三代平面STPOWER SiC MOSFET。選擇它們是因為這項技術(shù)極大地提高了能效。從意法半導體設計角度來(lái)看，我們現在專(zhuān)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。

5.數據中心是節能降耗的一個(gè)重要應用領(lǐng)域，您認為第三代半導體可以在哪些方面提升數據中心的能源利用效率？在數據中心中，哪些第三代半導體的產(chǎn)品可以得到廣泛的應用?第三代半導體的應用又會(huì )如何影響數據中心功能的升級？

　　我們的第三代碳化硅STPOWER GEN3 SiC MOSFET系列目前正用于數據中心設備，可顯著(zhù)提高能效。在數據中心應用領(lǐng)域，我們還開(kāi)始提供一些GaN晶體管樣片。能耗大的數據中心將是這些新材料帶來(lái)的巨大好處的主要受益者之一。

6.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？

　　今天，GaN非常有效地解決了無(wú)線(xiàn)和有線(xiàn)充電器市場(chǎng)需求。因為氮化鎵材料特性，現在市面上出現了新一代纖薄輕巧的PC適配器。其他有前景的應用包括可再生能源，例如，太陽(yáng)能逆變器。氮化鎵的高頻開(kāi)關(guān)特性還可用于設計未來(lái)電動(dòng)汽車(chē)的車(chē)載充電機和DC-DC轉換器。意法半導體推出了650V開(kāi)關(guān)管全系產(chǎn)品，為用戶(hù)提供多個(gè)不同的封裝選擇，其中一些產(chǎn)品的內部寄生電感非常小，可以改善高頻開(kāi)關(guān)操作性能。這些優(yōu)點(diǎn)還讓設計人員選用體積重量更小的無(wú)源器件。2022年底，100V GaN晶體管將會(huì )上市，這些產(chǎn)品可用于48V輕混汽車(chē)和數據中心和電信設備的DC-DC轉換器。

7.隨著(zhù)這一輪缺芯潮的逐漸平息，我們可以看到芯片供應鏈有諸多待改善的地方，那么第三代半導體在供應鏈上會(huì )有怎樣的優(yōu)化？功率半導體企業(yè)如何來(lái)應對材料供應鏈的問(wèn)題？

　　在SiC方面，意法半導體依靠與主要合作伙伴簽署的戰略供應協(xié)議采購體晶圓，維持制造活動(dòng)正常運轉。與此同時(shí)，我們正在構建一個(gè)完全垂直整合制造模式，確保我們的供應鏈有很高的穩健性和韌性，同時(shí)融合我們收購的公司Norstel AB（現已更名為ST SiC AB）的襯底設計和生產(chǎn)業(yè)務(wù)。我們的既定目標是滿(mǎn)足我們所有的襯底需求，到2024年，內部采購比例達到40%。

8.您認為隨著(zhù)成本的下降，未來(lái)GaN在中低功率領(lǐng)域能否完全替代二極管、IGBT、MOSFET等硅基功率器件？在功率器件的工藝上第三代半導體帶來(lái)了哪些改變？

　　未來(lái)GaN和硅將共存多年，我們將繼續改進(jìn)基于傳統硅材料的低壓和高壓MOSFET和IGBT產(chǎn)品。例如，對于續航里程要求不高的城市通勤電動(dòng)汽車(chē)，IGBT就足夠了，而且經(jīng)濟劃算。另一方面，800V電源總線(xiàn)的運動(dòng)型汽車(chē)，因為性能是最終目標，所以最好采用SiC。另一個(gè)例子是5G基站電源：意法半導體的超結STPOWER MOSFET系列具有良好的性?xún)r(jià)比，非常適合這類(lèi)應用。