Краткий обзор и прогноз по широкозонным полупроводникам SiC и GaN
Широкозонные полупроводники (WBG), такие как карбид кремния (SiC) и нитрид галлия (GaN), — это новые материалы, которые превосходят традиционный кремний (Si) в силовой электронике. Они позволяют создавать более эффективные, компактные и надежные преобразователи энергии, что критически важно для электромобилей, возобновляемой энергетики и бытовой электроники.
Ключевые преимущества WBG-полупроводников:
- Более высокое пробивное напряжение: позволяют работать при более высоких напряжениях.
- Более высокая теплопроводность: лучше отводят тепло.
- Возможность работы на высоких частотах: позволяют уменьшить размеры пассивных компонентов (катушек, конденсаторов).
- Меньшие потери: снижают потери на проводимость и переключение.
Рисунок - Частотные и мощностные режимы для различных технологий. Устройства на основе SiC и GaN работают на значительно более высоких частотах и мощностях по сравнению с устройствами на основе Si
Сравнение SiC и GaN
| Параметр | SiC (Карбид кремния) | GaN (Нитрид галлия) |
|---|---|---|
| Зрелость технологии | Выше, ближе к кремниевой | Меньше, но быстро развивается |
| Ключевые устройства | MOSFET, JFET, диоды Шоттки | HEMT (транзистор с высокой подвижностью электронов) |
| Типичные напряжения | 650 В – 1700 В (и выше) | До 650 В (есть образцы на 900 В и 1200 В) |
| Основные преимущества | Высокая надежность, мощные модули, родной оксид (SiO₂) | Очень высокие частоты переключения, лучшие динамические характеристики |
| Главный недостаток | Более высокие потери на переключение, чем у GaN | Проблемы с надежностью на высоких напряжениях, динамическое увеличение сопротивления |
| Стоимость | ~50% дороже Si | ~30% дороже Si |
Основные выводы по сравнению в диапазоне 650 В:
- GaN-транзисторы лидируют по ключевым показателям: у них лучшее соотношение Сопротивление × Заряд затвора (R_ON×Q_G), меньшая входная емкость и нулевой заряд обратного восстановления. Это делает их идеальными для высокочастотных применений.
- SiC-транзисторы показывают немного худшие динамические характеристики, но все равно значительно превосходят кремниевые аналоги. Они очень надежны.
Рисунок - Схематическое изображение различных полупроводниковых структур, используемых в коммерческих силовых SiC и GaN-транзисторах. (a) SiC вертикальный планарный МОП-транзистор с обеднением затвора. (b) SiC вертикальный двухканальный МОП-транзистор. (c) SiC вертикальный каскодный JFET. (d) GaN p-GaN HEMT-транзистор с затвором. (e) GaN каскодный HEMT.
Области применения
Текущие применения:
- SiC: автомобильная промышленность (инверторы в электромобилях, например, в Tesla), бортовые зарядные устройства.
- GaN: адаптеры питания для смартфонов и ноутбуков, зарядные устройства (позволяют сделать их в 3 раза меньше).
Будущие применения (Прогноз):
- < 400 В: доминирование GaN (бытовая электроника, зарядные устройства, ЦОДы).
- 400 – 1200 В: сосуществование GaN и SiC (автомобили, промышленные двигатели, солнечные инверторы).
- > 1200 В: доминирование SiC (железнодорожная тяга, умные сети, ветряные турбины).
Технологические проблемы
GaN:
- Нестабильность порогового напряжения (V_th): может приводить к ложным включениям или ухудшению характеристик.
- Динамическое увеличение сопротивления (R_ON): сопротивление транзистора может временно увеличиваться после работы под высоким напряжением.
- Надежность на высоких напряжениях: требует оптимизации для работы выше 1000 В.
SiC:
- Надежность оксида затвора: основная проблема — долговременная деградация оксида под напряжением.
- Устойчивость к короткому замыканию (SC): необходимо улучшать способность выдерживать кратковременные короткие замыкания.
Перспективы
- Ожидается, что GaN и SiC будут не конкурировать, а дополнять друг друга, находя свои ниши в зависимости от требований к напряжению, мощности и частоте.
- GaN будет развиваться в сторону повышения рабочих напряжений (>1200 В) за счет новых структур (вертикальные транзисторы).
- SiC продолжит укреплять позиции в высоковольтных и мощных применениях, вытесняя кремниевые IGBT.
- Возможно совместное использование GaN, SiC и Si в одном преобразователе для достижения оптимального баланса цены и производительности.
Заключение
SiC и GaN — это мощные технологии, которые уже сейчас улучшают эффективность и компактность силовой электроники. В будущем они будут сосуществовать, поскольку обладают уникальными преимуществами для разных задач, продолжая вытеснять традиционный кремний.
