SiC和GaN的技術應用挑戰

1 SiC和GaN的優勢

相比傳統MOSFET和IGBT方案，SiC和GaN器件提供更高的功率密度，具備更低的柵極驅動損耗和更高的開關速度。雖然SiC和GaN在某些低于10 kW功率的應用上有一些重疊，但各自解決的功率需求是不同的。

SiC 器件提供更高的耐壓水平和電流承載能力。這使得它們很適合于汽車牽引逆變器、車載充電器和直流/ 直流轉換器、大功率太陽能發電站和大型三相電網變流器等應用。SiC 進入市場的時間略長，因此它有更多的選擇，例如，相比目前可用的GaN 解決方案，SiC 支持更廣泛的電壓和導通電阻。

另一方面，GaN 具有更低的輸入和輸出電容，以及零反向恢復電荷，與其他技術相比，可大大降低功率耗散的特性, 使其更適合于中低壓、高頻以及更高功率密度的應用，如消費類產品、服務器、電信和工業電源、伺服驅動器等場景。

高金萍(納芯微市場總監)

2 制約新解決方案推廣的技術挑戰

當前制約SiC 和GaN 解決方案推廣的挑戰包括成本、開發經驗等。

● 成本方面，SiC 功率器件因為生產工藝和良率等因素，其成本高于硅器件。但隨著近年來技術、工藝和產能的持續改善，SiC 與硅器件之間的成本差距正在收窄。然而從系統層面，SiC 可為合適的應用在系統上節省更多成本，同時提供更佳的性能，從而帶來總的成本優勢。這也是推動納芯微持續完善相應產品布局的動力之一。

● 另外一個制約因素是相關系統設計的經驗。因為采用更高功率密度、更高開關頻率的功率器件同時也意味著工程師需要在系統層級進行全面的改版和優化。而以納芯微為代表的芯片公司，正在積極研發和創新，來應對這些挑戰。比如在安規方面需要適配絕緣電壓更高的隔離器件，以保證系統和人身安全。以納芯微NSI82xx 系列數字隔離器的高壓隔離工藝為例，該工藝通過調整隔離柵的材料配比，在不影響產品電性能的前提下，大幅度提升了安規隔離耐壓和浪涌沖擊能力，均通過DIN VDE V 0884-11:2017-01 增強絕緣認證，相關產品在隔離耐壓、抗浪涌沖擊、CMTI 等指標上均處于國際領先的水平，滿足基于SiC 和GaN 設計的高壓應用需求。

3 納芯微的解決方案

納芯微是一家高性能高可靠性模擬及混合信號芯片公司，在SiC 和GaN 的應用賽道，公司用以驅動SiC或GaN 功率器件的隔離/ 非隔離驅動產品已在汽車、光伏、工控客戶中得到廣泛應用。此外，納芯微亦圍繞核心應用對功率器件進行積極布局，目前已對外發布SiC二極管相關產品。

例如，SiC 更高的開關速度伴生的干擾需要配套的隔離驅動具備更高的抗共模干擾能力（CMTI），納芯微隔離驅動采用專利的AdaptiveOOK^?技術，可顯著提升系統的抗干擾能力和魯棒性。此外，由于驅動器件直接連接功率級，在一些高可靠性應用中需要提供相應的電路保護功能。針對這些應用，納芯微提供自帶米勒鉗位功能的隔離驅動NSI6801M，可防止誤導通；更進一步，納芯微亦可提供NSI6611/NSI68515 等智能隔離驅動，集成UVLO、米勒鉗位、DESAT 保護、軟關斷等功能，全方位保證電路可靠性。

GaN 驅動方面， 納芯微推出的高壓半橋驅動NSD2621 專門用于驅動E-mode（增強型）GaN 功率器件，可廣泛適用于快充、儲能、服務器電源等應用場景。NSD2621 的上管驅動采用納芯微專有的隔離工藝進行設計，抗共模干擾能力高達150 V/ns，并且可以耐受700 V 的負壓，有效提升了系統的可靠性。NSD2621 上下管的驅動輸出都集成了內部穩壓器LDO，可以有效抑制VDD 或BST 引入的高頻干擾，避免損壞GaN 功率器件。NSD2621 還可靈活地選擇6 V/5.5 V/5 V 不同驅動電壓版本，適用于多種GaN 器件。

（本文來源于EEPW 2023年10月期）