寬帶隙（WBG）半導體：切實可靠的節能降耗解決方案

Filippo Di Giovanni

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能降耗解決方案，可以通過系統方式減少碳足跡來減輕技術對環境的影響。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續航里程更長的電動汽車動力總成系統。更高的能效可以大幅簡化冷卻系統設計，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。

意法半導體的第三代碳化硅是我們的STPOWER SiC MOSFET技術改良研發活動取得的新進展，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。所涉及的主要品質因數是導通電阻和柵極電荷與導通電阻的乘積兩個重要參數。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略供應協議采購體晶圓，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健性和韌性，同時融合我們收購的公司Norstel AB（現已更名為ST SiC AB）的襯底設計和生產業務。我們的既定目標是滿足我們所有的襯底需求，到2024年，內部采購比例達到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采用氮化鎵設計產品，主要用于開發大規模市場產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領先于市面上現有的GaN技術。這兩種材料可以實現優勢互補，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，現在市面上出現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開關管全系產品，為用戶提供多個不同的封裝選擇，其中一些產品的內部寄生電感非常小，可以改善高頻開關操作性能。這些優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，這些產品可用于48 V輕混汽車和數據中心和電信設備的DC-DC轉換器。

未來GaN和硅將共存多年，我們將繼續改進基于傳統硅材料的低壓和高壓MOSFET和IGBT產品。例如，對于續航里程要求不高的城市通勤電動汽車，IGBT就足夠了，而且經濟劃算。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。