宽带隙（WBG）半导体：切实可靠的节能降耗解决方案

Filippo Di Giovanni

减少能源转换损耗和提高能效是人们的不懈追求，新的宽带隙（WBG）半导体是一个切实可靠的节能降耗解决方案，可以通过系统方式减少碳足迹来减轻技术对环境的影响。例如，我们最新的650 V、750 V 和1，200 V STPOWER系列碳化硅MOSFET晶体管，可以让设计人员开发续航里程更长的电动汽车动力总成系统。更高的能效可以大幅简化冷却系统设计，更小更轻的电子设备有助于最大限度降低车自重，在相同电量条件下，自重更轻的汽车行跑得更远。

意法半导体的第三代碳化硅是我们的STPOWER SiC MOSFET技术改良研发活动取得的新进展，是为了更好地满足电动汽车厂商在用碳化硅设计的动力电机逆变器、车载充电机和DC-DC转换器时的严格要求。在高端工业领域，我们的第三代碳化硅技术还能破解所有应用限制难题，例如充电桩等产品。第三代STPOWER SiC MOSFET在导通损耗和开关损耗方面都比上一代有所改进。所涉及的主要品质因数是导通电阻和栅极电荷与导通电阻的乘积两个重要参数。与硅基MOSFET相比，改进幅度非常大，总损耗降低高达80%。目前在全球有90多个不同的项目在用第三代平面STPOWER SiC MOSFET。选择它们是因为这项技术极大地提高了能效。从意法半导体设计角度来看，我们现在专注于下一次迭代，第四代碳化硅技术将在减少总损耗方面又向前迈进一步，有助于进一步提高能效。

在SiC方面，意法半導体依靠与主要合作伙伴签署的战略供应协议采购体晶圆，维持制造活动正常运转。与此同时，我们正在构建一个完全垂直整合制造模式，确保我们的供应链有很高的稳健性和韧性，同时融合我们收购的公司Norstel AB（现已更名为ST SiC AB）的衬底设计和生产业务。我们的既定目标是满足我们所有的衬底需求，到2024年，内部采购比例达到40%。

氮化镓GaN是另一个重要的宽带隙半导体材料，在技术成熟度方面稍微落后于碳化硅SiC。尽管如此，设备制造商还是继续采用氮化镓设计产品，主要用于开发大规模市场产品如电源适配器和无线充电器等。氮化镓在汽车市场上应用前景广阔，可用于开发下一代车载充电机和DC-DC转换器。换言之，意法半导体第三代SiC领先于市面上现有的GaN技术。这两种材料可以实现优势互补，碳化硅适合高压和高功率应用领域，而氮化镓更适合高开关频率的中低功率转换器。

今天，GaN非常有效地解决了无线和有线充电器市场需求。因为氮化镓材料特性，现在市面上出现了新一代纤薄轻巧的PC适配器。其他有前景的应用包括可再生能源，例如，太阳能逆变器。氮化镓的高频开关特性还可用于设计未来电动汽车的车载充电机和DC-DC转换器。意法半导体推出了650 V开关管全系产品，为用户提供多个不同的封装选择，其中一些产品的内部寄生电感非常小，可以改善高频开关操作性能。这些优点还让设计人员选用体积重量更小的无源器件。2022年底，100 V GaN晶体管将会上市，这些产品可用于48 V轻混汽车和数据中心和电信设备的DC-DC转换器。

未来GaN和硅将共存多年，我们将继续改进基于传统硅材料的低压和高压MOSFET和IGBT产品。例如，对于续航里程要求不高的城市通勤电动汽车，IGBT就足够了，而且经济划算。另一方面，800 V电源总线的运动型汽车，因为性能是最终目标，所以最好采用SiC。另一个例子是5G基站电源：意法半导体的超结STPOWER MOSFET系列具有良好的性价比，非常适合这类应用。