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面對(duì)日新月異的半導(dǎo)體技術(shù)，SiC FET（MOSFET）和橫向GaN HEMT仍然是功率開關(guān)技術(shù)中最重要的器件之一。隨著該領(lǐng)域的最新進(jìn)展，SiC和GaN在提高包括高功率應(yīng)用的功率器件和電路的性能方面發(fā)揮了巨大作用。此外，這些裝置表現(xiàn)出更高的效率，大大降低了生產(chǎn)和實(shí)施成本。

SiC-FET（MOSFET）和橫向GaN-HEMT是在功率半導(dǎo)體領(lǐng)域取得重大成就的兩種組件。與傳統(tǒng)的SiC晶片相比，GaN晶片可以在類似的環(huán)境中工作，在耐用性和電壓降額方面的故障率要低得多。所有功率半導(dǎo)體器件都在600到1200伏之間運(yùn)行，因此基于SiC和GaN的器件，如JFET、MOSFET和IGBT，在這個(gè)電壓范圍內(nèi)得到了極大的改進(jìn)。

一電力開關(guān)設(shè)備的競(jìng)爭(zhēng)形勢(shì)

圖1關(guān)于xA開發(fā)的RDS趨勢(shì)。

圖1顯示了漏極和源極之間的導(dǎo)通電阻值（RDS，導(dǎo)通），這對(duì)于多個(gè)MOSFET來說是理想的，包括像Infineon CoolMOS系列MOSFET這樣的MOSFET?，F(xiàn)代SiC開關(guān)概念有望將導(dǎo)通電阻降低5倍，但不幸的是，這被650V器件的高SiC面積成本所消耗。理想的導(dǎo)通電阻值為1Ωmm2，為了達(dá)到這個(gè)值，通過補(bǔ)償精度降低了單元的間距。實(shí)驗(yàn)期間的觀察表明，存儲(chǔ)在最近開發(fā)的器件的輸出電容或Eoss值中的能量減少了兩倍，這使其與SiC和GaN的值更相似。

二IGBT

利用局部等離子體密度，正在改進(jìn)和升級(jí)650V-1700V額定IGBT的功率密度，以提高效率。在許多情況下，這些器件受到高產(chǎn)生電流和相關(guān)的低短路有效性的抑制。這似乎是一個(gè)限制，但可以通過適當(dāng)?shù)臄U(kuò)散焊接、燒結(jié)和更厚的正面電源金屬作為臨時(shí)散熱器來解決。IGBT的另一個(gè)缺點(diǎn)是缺少集成續(xù)流二極管，這意味著反向?qū)妷簽榱?。因此，IGBT總是優(yōu)于所有其他功率開關(guān)技術(shù)。不幸的是，在所有電流改進(jìn)的情況下，WBG開關(guān)提供了十分之一的開關(guān)損耗，如果并且只有當(dāng)dV/it較高并且組件設(shè)置的電感較小時(shí)。

圖2（a）輸出電容中存儲(chǔ)的能量的比較。圖2（b）：存儲(chǔ)在輸出電容中的電荷的比較

除此之外，所有IGBT損耗都是雙極性的，由于少數(shù)載流子的不斷增加，這種器件總是依賴于T。這導(dǎo)致溫度問題增加了40-50%。此外，反向?qū)↖GBT被認(rèn)為是在關(guān)斷二極管之前降低少數(shù)載流子密度的有源柵極控制。因此，這種益處取決于靜態(tài)和動(dòng)態(tài)損耗之間的比率，該比率可以是dI/dt或dv/dt梯度。

三碳化硅場(chǎng)效應(yīng)晶體管

圖3使用自由轉(zhuǎn)向二極管的IGBT反向?qū)?/p>

四GaN HEMT

GaN（氮化鎵）比SiC具有更大的優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)也是比SiC更難結(jié)晶和加工的材料。HEMT技術(shù)僅在生長(zhǎng)GaN晶體的襯底的表面上形成元件。GaN HEMT與其他HEMT的不同之處在于，它們具有非常低的柵極和零恢復(fù)損耗，并且在其他HEMT中表現(xiàn)出破壞性的擊穿而不是雪崩。這些器件基于具有低Rds的n異質(zhì)外延材料生長(zhǎng)，以允許高電流密度，但它們受到低熱電容的阻礙。GaN HEMT中發(fā)生的開關(guān)損耗都與溫度無關(guān)，因?yàn)樗兇馐穷愃朴贛OSFET的電容損耗。GaN HEMT會(huì)導(dǎo)致熱失控的風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致?lián)p壞以及短路的可能性。這在驅(qū)動(dòng)器中用完了，交流斷電后的PFC。

五結(jié)論

圖4與電源開關(guān)技術(shù)相關(guān)的技術(shù)和性能參數(shù)分析

上表顯示了各種設(shè)備及其電壓范圍和各自的屬性。

SiC基IGBT被認(rèn)為是適用于400V-6.5kV高壓范圍的最佳器件，而GaN-on-Si-HETs被認(rèn)為是最適用于400V至6.5kV高壓區(qū)域的器件?？紤]到這一點(diǎn)，GaN-on-Si HEMT被認(rèn)為是30V-600V電壓范圍的理想器件。如果把成本作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)放在一邊，SiC器件在所有方面都占據(jù)了上風(fēng)?；赟iC的器件具有在高電壓范圍內(nèi)工作而不損失其阻擋能力的優(yōu)點(diǎn)。

這在一開始是可能的，因?yàn)榭梢垣@得更大晶片直徑（150mm和200mm）的廉價(jià)GaN襯底。然后，GaN將使其有可能擴(kuò)展到650V以上的更高電壓等級(jí)，從而也將達(dá)到SJ和IGBT技術(shù)的邊界。有很多方法可以提高設(shè)備的生產(chǎn)率，但由于制造成本的增加，這些方法的可行性是面臨的挑戰(zhàn)?？偟膩碚f，設(shè)備的價(jià)格越來越有競(jìng)爭(zhēng)力，設(shè)備特定應(yīng)用程序的獨(dú)特性的重要性也在上升。為了提高功率器件的效率和可靠性，必須對(duì)功率半導(dǎo)體技術(shù)中使用的各種材料進(jìn)行更多的研究和開發(fā)。