SiC和GaN的技术应用挑战

1 SiC和GaN的优势

相比传统MOSFET和IGBT方案，SiC和GaN器件提供更高的功率密度，具备更低的栅极驱动损耗和更高的开关速度。虽然SiC和GaN在某些低于10 kW功率的应用上有一些重叠，但各自解决的功率需求是不同的。

SiC 器件提供更高的耐压水平和电流承载能力。这使得它们很适合于汽车牵引逆变器、车载充电器和直流/ 直流转换器、大功率太阳能发电站和大型三相电网变流器等应用。SiC 进入市场的时间略长，因此它有更多的选择，例如，相比目前可用的GaN 解决方案，SiC 支持更广泛的电压和导通电阻。

另一方面，GaN 具有更低的输入和输出电容，以及零反向恢复电荷，与其他技术相比，可大大降低功率耗散的特性, 使其更适合于中低压、高频以及更高功率密度的应用，如消费类产品、服务器、电信和工业电源、伺服驱动器等场景。

高金萍(纳芯微市场总监)

2 制约新解决方案推广的技术挑战

当前制约SiC 和GaN 解决方案推广的挑战包括成本、开发经验等。

● 成本方面，SiC 功率器件因为生产工艺和良率等因素，其成本高于硅器件。但随着近年来技术、工艺和产能的持续改善，SiC 与硅器件之间的成本差距正在收窄。然而从系统层面，SiC 可为合适的应用在系统上节省更多成本，同时提供更佳的性能，从而带来总的成本优势。这也是推动纳芯微持续完善相应产品布局的动力之一。

● 另外一个制约因素是相关系统设计的经验。因为采用更高功率密度、更高开关频率的功率器件同时也意味着工程师需要在系统层级进行全面的改版和优化。而以纳芯微为代表的芯片公司，正在积极研发和创新，来应对这些挑战。比如在安规方面需要适配绝缘电压更高的隔离器件，以保证系统和人身安全。以纳芯微NSI82xx 系列数字隔离器的高压隔离工艺为例，该工艺通过调整隔离栅的材料配比，在不影响产品电性能的前提下，大幅度提升了安规隔离耐压和浪涌冲击能力，均通过DIN VDE V 0884-11:2017-01 增强绝缘认证，相关产品在隔离耐压、抗浪涌冲击、CMTI 等指标上均处于国际领先的水平，满足基于SiC 和GaN 设计的高压应用需求。

3 纳芯微的解决方案

纳芯微是一家高性能高可靠性模拟及混合信号芯片公司，在SiC 和GaN 的应用赛道，公司用以驱动SiC或GaN 功率器件的隔离/ 非隔离驱动产品已在汽车、光伏、工控客户中得到广泛应用。此外，纳芯微亦围绕核心应用对功率器件进行积极布局，目前已对外发布SiC二极管相关产品。

例如，SiC 更高的开关速度伴生的干扰需要配套的隔离驱动具备更高的抗共模干扰能力（CMTI），纳芯微隔离驱动采用专利的AdaptiveOOK^®技术，可显著提升系统的抗干扰能力和鲁棒性。此外，由于驱动器件直接连接功率级，在一些高可靠性应用中需要提供相应的电路保护功能。针对这些应用，纳芯微提供自带米勒钳位功能的隔离驱动NSI6801M，可防止误导通；更进一步，纳芯微亦可提供NSI6611/NSI68515 等智能隔离驱动，集成UVLO、米勒钳位、DESAT 保护、软关断等功能，全方位保证电路可靠性。

GaN 驱动方面， 纳芯微推出的高压半桥驱动NSD2621 专门用于驱动E-mode（增强型）GaN 功率器件，可广泛适用于快充、储能、服务器电源等应用场景。NSD2621 的上管驱动采用纳芯微专有的隔离工艺进行设计，抗共模干扰能力高达150 V/ns，并且可以耐受700 V 的负压，有效提升了系统的可靠性。NSD2621 上下管的驱动输出都集成了内部稳压器LDO，可以有效抑制VDD 或BST 引入的高频干扰，避免损坏GaN 功率器件。NSD2621 还可灵活地选择6 V/5.5 V/5 V 不同驱动电压版本，适用于多种GaN 器件。

（本文来源于EEPW 2023年10月期）