寬帶隙(WBG)半導體: 切實(shí)可靠的節能降耗解決方案

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 650 V、 750 V 和 1,200 V 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。

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

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。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%。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。

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%。

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。

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 650 V 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，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(chē)和數據中心和電信設備的 DC-DC 轉換器。

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，800 V 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。

(注：本文轉載自《電子產(chǎn)品世界》2022年7月期)