Siemens EDA汽车测试解决方案经理 Lee Harrison 表示:“特别是 SiC 提供了更高速的开关,这使得电池管理成为其杀手级应用。” “阻断高压的能力使其非常适合电动汽车中的电压调节器。”
研究人员花费了数十年时间研究 SiC 和 GaN 并实现工业化,STMicroelectronics 和英飞凌等芯片制造商提高了产量并降低了缺陷率,这些技术现在可以用于商业化。
意法半导体功率晶体管部门营销人员 Gianfranco Di Marco 指出:“这些宽带隙半导体最近越来越受到关注,因为作为一个行业,我们在工业化和制造方面做得更好。”这些宽带隙化合物半导体材料的特性。“产品在一系列重要应用中的成功采用已经得到认可,例如牵引逆变器、OBC(车载充电器)、DC-DC、电动汽车充电站以及 SiC 充电基础设施,以及用于 GaN 的消费电子产品中的电源转换器。由于 SiC 和 GaN 在多种应用中都比传统硅提供了功率效率优势,因此它们正在吸引更多的关注。”
GaN 在支持射频的商业系统(例如 5G)和用于高级驾驶辅助系统 (ADAS) 的雷达中也越来越受欢迎。Cadence高级产品营销经理 David Vye 表示:“根据这些高频系统所需的功率要求,GaN 因其性能(包括功率、线性度和功率附加效率)而成为主导半导体。” “目前,GaN MMIC 和分立器件广泛用于射频功率放大器和低噪声放大器。”
与此同时,SiC MOSFET 可用于充电站,充电站将成为 BEV 和插电式混合动力车全球基础设施的支柱。“碳化硅在汽车应用中的部署也有助于解决工业领域的其他应用领域,同时帮助设计人员构思未来几代用于空间和航空电子应用的 SiC 和 GaN 产品,”Di Marco 说。“SiC MOSFET 和 GaN HEMT 在很大程度上是互补的,因为它们各自针对不同的应用。电动汽车现在受益于两者的大规模采用,碳化硅 MOSFET 及其在 650V 至 1,700V 电压下工作的能力非常适合牵引逆变器、DC-DC 转换器和车载充电器。”
宽带隙器件的设计注意事项
不过,从设计角度来看,需要认识到 SiC 和 GaN 器件具有与硅制成的器件不同的特性。
“控制这些器件(即栅极驱动)的方式是不同的,”英飞凌科技公司开关电源和电池应用系统应用工程总监 George Liang 说。“当您尝试为特定应用实施解决方案时,您需要查看设备在过渡期间的工作方式。宽带隙器件与传统硅技术之间的显着差异在于开关损耗完全不同。切换可能有点不同。为了最大限度地发挥使用宽带隙设备的优势,您确实需要学习如何控制该设备上的开关。”
测试挑战
另一个问题涉及测试。GaN 和 SiC 的缺陷密度仍然更高,这使得高覆盖率至关重要——尤其是当它们用于汽车或其他安全关键型应用时。
“每个人都熟悉这些设备的硅生命周期图,以确保我们不会看到早期故障,这将导致由于潜在故障而导致客户提前退货,”哈里森说。“这些设备的制造商进行压力测试,以确保设备中的任何潜在故障在最终进入车辆之前都被发现。对于这项技术,压力测试时间可能相当长——比普通硅长很多倍。SiC 和 GaN 技术面临的挑战之一是低温运行,这会影响器件的使用寿命。通过广泛的测试可以消除很多风险。测试的差异更多是由于应用测试程序的条件而不是运行的测试类型。”
结论
SiC 和 GaN 的未来在许多应用领域很有前景,但最值得注意的是在汽车电池管理领域,因为这些材料可以处理高电压。一旦改进了器件表征和建模支持,成本将进一步下降,预计这两种宽带隙材料都将进入更多应用领域。