寬帶隙(WBG)半導體: 切實可靠的節(jié)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) 半導體是一個切實可靠的節(jié)能降耗解決方案，可以通過系統(tǒng)方式減少碳足跡來減輕技術對環(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，可以讓設計人員開發(fā)續(xù)航里程更長的電動汽車動力總成系統(tǒng)。更高的能效可以大幅簡化冷卻系統(tǒng)設計，更小更輕的電子設備有助于最大限度降低車自重，在相同電量條件下，自重更輕的汽車行跑得更遠。

意法半導體汽車和分立器件產(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 技術改良研發(fā)活動取得的新進展，是為了更好地滿足電動汽車廠商在用碳化硅設計的動力電機逆變器、車載充電機和 DC-DC 轉換器時的嚴格要求。在高端工業(yè)領域，我們的第三代碳化硅技術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 在導通損耗和開關損耗方面都比上一代有所改進。所涉及的主要品質(zhì)因數(shù)是導通電阻和柵極電荷與導通電阻的乘積兩個重要參數(shù)。與硅基 MOSFET 相比，改進幅度非常大，總損耗降低高達 80%。目前在全球有 90 多個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極大地提高了能效。從意法半導體設計角度來看，我們現(xiàn)在專注于下一次迭代，第四代碳化硅技術將在減少總損耗方面又向前邁進一步，有助于進一步提高能效。

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

氮化鎵 GaN 是另一個重要的寬帶隙半導體材料，在技術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(xù)采用氮化鎵設計產(chǎn)品，主要用于開發(fā)大規(guī)模市場產(chǎn)品如電源適配器和無線充電器等。氮化鎵在汽車市場上應用前景廣闊，可用于開發(fā)下一代車載充電機和 DC-DC 轉換器。換言之，意法半導體第三代 SiC 領先于市面上現(xiàn)有的 GaN 技術。這兩種材料可以實現(xiàn)優(yōu)勢互補，碳化硅適合高壓和高功率應用領域，而氮化鎵更適合高開關頻率的中低功率轉換器。

今天，GaN 非常有效地解決了無線和有線充電器市場需求。因為氮化鎵材料特性，現(xiàn)在市面上出現(xiàn)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，太陽能逆變器。氮化鎵的高頻開關特性還可用于設計未來電動汽車的車載充電機和 DC-DC 轉換器。意法半導體推出了 650 V 開關管全系產(chǎn)品，為用戶提供多個不同的封裝選擇，其中一些產(chǎn)品的內(nèi)部寄生電感非常小，可以改善高頻開關操作性能。這些優(yōu)點還讓設計人員選用體積重量更小的無源器件。2022 年底，100 V GaN 晶體管將會上市，這些產(chǎn)品可用于 48 V 輕混汽車和數(shù)據(jù)中心和電信設備的 DC-DC 轉換器。

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

(注：本文轉載自《電子產(chǎn)品世界》2022年7月期)