东芝级联共源共栅技术解决GaN应用痛点

受访人：黄文源  东芝电子元件（上海）有限公司半导体技术统括部技术企划部高级经理

1.氮化镓和碳化硅同属第三代半导体，在材料特性上有什么相似之处和不同之处？根据其不同的特性，分别适用在哪些应用领域？贵公司目前在SiC和GaN两种材料的半导体器件方面都有哪些主要的产品？

　　回答：自从半导体产品面世以来，硅一直是半导体世界的代名词。但是，近些年，随着化合物半导体的出现，这种情况正在被逐渐改变。通常，半导体业界将硅（Si）作为第一代半导体的代表，将砷化镓(GaAs)、锑化铟(InSb)作为第二代半导体的代表，那么，氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)就是典型的第三代半导体的代表了。

　　和传统的Si功率半导体相比，GaN和SiC有着更高的电压能力、更快的开关速度、更高的工作温度、更低导通电阻、功率耗散小、能效高等共同的优异的性能,是近几年来新兴的半导体材料。但他们也存在着各自不同的特性，简单来说，GaN的开关速度比SiC快，SiC工作电压比GaN更高。GaN的寄生参数极小，极高的开关速度，比较适合高频应用，例如：电动汽车的DC-DC转换电路、OBC、低功率开关电源以及蜂窝基站功率放大器、雷达、卫星发射器和通用射频放大器等；SiC MOSFET的高压高电流的能力以及易驱动特性，使其适合于大功率且高效的各类应用，例如：列车逆变器系统，工业电源、太阳能逆变器和UPS高性能开关电源等等，可以大大提升效率，功率密度等性能。

　　东芝作为SiC和GaN产品的早期研究开发者者之一，拥有自己独特的SiC和GaN产品技术。

　　今年初，东芝推出了两款全新碳化硅（SiC）MOSFET双模块---“MG600Q2YMS3”和“MG400V2YMS3”：前者额定电压为1200V，额定漏极电流为600A；后者额定电压为1700V，额定漏极电流为400A。作为东芝首批具有上述额定电压的产品，它们与之前发布的MG800FXF2YMS3共同组成了1200V、1700V和3300V器件产品线。

　　这两种新模块在安装方式上兼容广泛使用的硅（Si）IGBT模块。两种新模块的低损耗特性满足了工业设备对提高效率、减小尺寸的需求，适合于轨道车辆的逆变器和转换器、可再生能源发电系统、电机控制设备、高频DC-DC转换器等应用场景

　　在这之前，东芝已经推出了1200V SiC MOSFET以及650V碳化硅肖特基势垒二极管（SiC SBD）等SiC相关产品，至此已拥有了较为丰富的SiC产品系列。

　　在GaN方面，今年的1月31日东芝发布了全球首个集成于半桥（HB）模块的分流式MOS电流传感器。当其用于氮化镓（GaN）功率器件等器件时，该传感器可使电力电子系统具有很高的电流监测精度，但功率损耗不会增加，并有助于减小此类系统和电子设备的尺寸。

　　全球推行碳中和，需要更高效的电子设备，尤其是小型的系统。然而，由于半桥模块和电流传感器必须安装在电感器的两侧，因此将他们集成在一块芯片上很困难。电流检测降低功耗（减少热量）的同时，也会降低的精度，因为这取决于分流电阻。虽然现今的技术可实现高精度电流传感器，但却无法降低损耗。

　　东芝的新技术采用级联共源共栅，将低压MOSFET与GaN场效应晶体管相连用于电流传感，因此无需使用分流电阻，避免其产生功耗。此外，电路优化和尖端校准技术可保证10MHz以上的带宽，可提高产品性能及测量精度。集成到半桥模块的这款新型IC不仅提高了开关频率，还缩小了电容器和电感器的尺寸有助于电子设备的小型化。

　　另外，就GaN器件技术而言，东芝的新型GaN共源共栅器件与传统的共源共栅器件有较大的不同（如图），由于共源共栅型依靠硅MOSFET来驱动GaN HEMT，因此通常很难通过外部栅极电阻控制其开关速度。然而，东芝通过推出具有直接栅极驱动的器件解决了这一问题，驱动IC可直接驱动GaN HEMT。可像硅功率器件一样，改变其开关速度，因此有助于简化功率电子系统的总体设计。这种新型共源共栅器件的另一个优点是，由于GaN HEMT栅极是独立控制的，因此新器件不会因外部电压波动引起的硅MOSFET电压变化而导致误导通，从而有助于系统稳定运行。所以该新器件具有电源应用所需的可靠性，该产品实现了稳定的运行并简化了系统设计，能够有效降低因误导通而造成开关期间产生额外能量损失的风险，并可像硅一样，轻松调节开关速度，这是电力电子系统设计中需考虑的重要因素。

2.功率器件是第三代半导体的重要应用领域之一，您认为，相比于传统功率半导体器件，第三代半导体在功率器件应用方面有哪些技术上的优势，又能带来哪些技术指标方面的突破和新应用的涌现？

　　回答：以SiC和GaN为代表的第三代半导体是近几年来新兴的功率半导体，和传统的Si功率半导体相比，有着耐压高，导通电阻小，寄生参数小等的优异的性能。

　　由于碳化硅（SiC）的介电击穿强度大约是硅（Si）的10倍，因此SiC功率器件可以提供高耐压和低压降。与相同耐压条件下的Si相比，SiC器件中的单位面积导通电阻更低。

　　双极IGBT器件，在Si器件中通常用作1000V或更高的高压晶体管。IGBT双极晶体管与两种载流子、电子和空穴共同作用，通过将少数载流子和空穴注入漂移层中，从而降低漂移层的电阻。但是，双极晶体管的缺点是由于少数载流子的积累而在关断时产生的拖尾电流，这会增加关断损耗。

　　另一方面，由于SiC MOSFET是单极器件，即便在高压产品中，也只能通过电子工作，因此不会产生拖尾电流；同时，与Si IGBT相比，其关断损耗也较低。因此，SiC MOSFET能够在高频范围内运行，这对于Si IGBT来讲，是很难实现的。此外，无源元件也有助于设计小型化。

　　与IGBT模块相比，SiC MOSFET模块的低损耗特性可以降低总损耗（开关损耗+导通损耗）。高速开关和低损耗操作还有助于减小滤波器、变压器和散热器的尺寸，实现了紧凑、轻便的系统。这降低了逆变器系统的材料成本。此外，无风扇冷却系统的实现提高了可靠性和降低维护成本。

　　下图是SiC MOSFET模块与IGBT模块的损耗比较

　　条件：2电平电路Fc＝7.2kHz，Fout＝50Hz，Iout＝180Arms，Vdc＝1090V

　　与IGBT相比，SiC MOSFET的低损耗特性降低了总损耗。根据上述条件进行估算，损耗减少约80%。

　　通过将分别采用SiC MOSFET模块与采用IGBT模块系统的变压器尺寸进行比较，可实现91%的降低。高速开关和低损耗运行减小了滤波器和变压器以及散热器的尺寸，实现了紧凑、轻便的系统。

　　东芝的TW070J120B 1200V SiC MOSFET具有低导通电阻、低输入电容和低栅极电荷总量的特性，因而可实现高速开关并降低功耗。其目标应用为工业设备用400V AC输入AC-DC转换器以及双向DC-DC转换器（如光伏模块和UPS的转换器）。

　　与1200V硅绝缘栅双极晶体管（IGBT）GT40QR21相比，TW070J120B的关断损耗降低了约

　　80%，开关时间（下降时间）缩短了约70%。此外，对低于20A[1]的电流，新产品还可提供

　　低导通电压。结合低正向压降的SiC肖特基势垒二极管（SBD）可降低功率损耗。高栅极电压阀值（4.2至5.8V）对于避免意外开启或关闭很实用。

　　注：[1] 环境温度25℃

上图为SiC MOSFET和IGBT关断损耗比较[2]

上图SiC MOSFET和IGBT关断波形比较[2](红色为SiC MOSFET,蓝色为IGBT)

　　注：[2]GT40QR21的测试条件：VCC＝800V，IC＝10A，RG＝47Ω，Ta＝25℃，VGE＝20V／-5V,

　　感性负载：L＝300μH，TW070J120B的源极和漏极之间的二极管与感性负载并联，用作续流二极管（Free Wheeling Diode：FWD）。

　　TW070J120B的测试条件：VDD＝800V，ID＝10A，RG＝47Ω，Ta＝25℃，VGS＝20V／-5V,

　　感性负载：L＝300μH，TW070J120B的源极和漏极之间的二极管与感性负载并联，用作续流二极管（FWD）。

上图为SiC MOSFET和IBGT传导特性比较(红色为SiC MOSFET,蓝色为IGBT)

3.随着双碳政策的不断推进，第三代半导体在节能增效方面能够带给相关的系统哪些全新的竞争优势，贵公司有哪些与第三代半导体功率器件相关的方案可以助力系统的节能增效？

        回答：与硅（Si）相比，碳化硅（SiC）是一种介电击穿强度更大、饱和电子漂移速度更快且热导率更高的半导体材料。因此，与硅器件相比，当用于半导体器件中时，碳化硅器件可以提供高耐压、高速开关和低导通电阻。鉴于该特性，其将成为有助于降低能耗和缩小系统尺寸的下一代低损耗器件。

　　解决环境和能源问题是一个重要的全球性问题。随着电力需求持续升高，对节能的呼声以及对高效、紧凑型电力转换系统的需求也迅速增加。

　　相比于传统的硅（Si）MOSFET和IGBT产品，基于全新碳化硅（SiC）材料的功率MOSFET具有耐高压，高速开关，低导通电阻性能。除减少产品尺寸外，该类产品可极大降低功率损耗。下面介绍二款基于东芝SiC MOSFET的高效率电源系统相关解决方案。

　　▪方案1：5kW隔离式双向DC-DC转换器参考设计,使用SiC MOSFET提高电源系统的效率.该参考设计是采用1200V SiC MOSFET双有源桥（DAB）转换方法的5kW隔离双向DC-DC转换器的设计指南，下图是该参考设计的原理方框图：

　　该方案在Vin=750V，100%的负载条件下，能实现97%的总效率，下图是效率曲线

　　本方案采用了东芝SiC MOSFET,Si MOSFET以及智能栅极驱动IC和隔离放大器

　　▪方案2：3相AC 400V输入PFC转换器参考设计，使用SiC MOSFET提高电源系统的效率。该参考设计是采用3相图腾柱拓扑结构和1200V SiC MOSFET的4kW 3相AC 400V输入PFC转换器的设计指南，下图是该参考设计的原理方框图：

　　该方案在Vin=400V，100%的负载条件下，能实现97%的效率，相同条件下的功率因数为0.99，下图是效率曲线：

　　本方案采用了东芝的SiC MOSFET（TW070J120B）和智能栅极驱动IC（TLP5214A）。

4.随着第三代半导体材料的推广应用，氮化镓除了在快充领域迅速占领市场以外，未来还将可能在哪些领域崭露头角？贵公司有哪些产品和方案？

　　回答：GaN的寄生参数极小，开关速度极高，加上高耐压，高工作温度范围，比较适合高频应用，目前其在快充领域已经得到比较充分的应用，除此之外，基于GaN的上述优异性能，已经或者还将被应用于电动汽车的DC-DC转换电路、OBC、低功率开关电源以及其他一些对耐压、开关损耗等性能有较高要求的电力电子系统中。

　　东芝于今年的1月31日发布了全球首个集成于半桥（HB）模块的分流式MOS电流传感器。当其用于氮化镓（GaN）功率器件等器件时，该传感器可使电力电子系统具有很高的电流监测精度，但功率损耗不会增加，并有助于减小此类系统和电子设备的尺寸。

　　全球推行碳中和，需要更高效的电子设备，尤其是小型的系统。然而，由于半桥模块和电流传感器必须安装在电感器的两侧，因此将他们集成在一块芯片上很困难。电流检测降低功耗（减少热量）的同时，也会降低的精度，因为这取决于分流电阻。虽然现今的技术可实现高精度电流传感器，但却无法降低损耗。

　　东芝的新技术采用级联共源共栅，将低压MOSFET与GaN场效应晶体管相连用于电流传感，因此无需使用分流电阻，避免其产生功耗。此外，电路优化和尖端校准技术可保证10MHz以上的带宽，可提高产品性能及测量精度。集成到半桥模块的这款新型IC不仅提高了开关频率，还缩小了电容器和电感器的尺寸有助于电子设备的小型化。这类可提高功率转换器效率的功率半导体将为实现碳中和目标做出贡献。