“四兩撥千斤”，寬禁帶技術如何顛覆性創新

在半導體行業，新的材料技術有“四兩撥千斤”的魔力，輕輕松松帶來顛覆性變革。具有先天性能優勢的寬禁帶半導體材料脫穎而出。

在整個能源轉換鏈中，寬禁帶半導體的節能潛力可為實現長期的全球節能目標作出貢獻。寬禁帶技術將推動電力電子器件提高效率、提高密度、縮小尺寸、減輕重量、降低總成本，因此將在數據中心、智能樓宇、個人電子設備等應用場景中為能效提升作出貢獻。

寬禁帶材料讓應用性能炸裂，怎么做到的？

寬禁帶材料的優勢主要體現在：

? 與傳統的硅基半導體材料相比，寬禁帶產品具有更寬更高的禁帶寬度、電場強度，更高的擊穿電壓。

? 寬禁帶材料的電子飽和遷移速率與傳統的硅基半導體材料相比快3倍，所以寬禁帶半導體器件具有更高的開關頻率。像ST的碳化硅，具有百k級以上的開關頻率，而氮化鎵具有更高的開關頻率，開關頻率達到1MHz以上。

? 更好的熱傳導性使寬禁帶功率器件具有更好的熱性能，可減少系統對熱冷卻的要求，大大降低散熱設備的尺寸，以及系統成本。寬禁帶的材料熔點非常高，使功率器件有更高的結溫。

碳化硅SiC和氮化鎵GaN寬禁帶功率器件的研發是未來工業自動化能效和性能提升的關鍵。意法半導體在這些領域持續技術創新，為工業設備提供更長的使用壽命、更高的運行效率和更低的能耗，從而推動工業自動化向更綠色、更智能的方向發展。

意法半導體碳化硅產品及技術規劃

ST提供采用不同技術的STPOWER SiC MOSFET產品，電壓范圍從650V到1700V。這些器件可以將能量損失降低50%，提高開關頻率，縮減產品尺寸，降低重量以及整體擁有成本。

ST碳化硅MOSFET的優勢主要體現在：

? 在很高結溫下可以實現較低的能量損耗和Ron，適用于更高的開關頻率以及更小更輕的電源系統。

? 熱性能出色，由于材料熔點非常高，工作溫度可達200度，降低了系統的冷卻要求，延長使用壽命。

? 易于驅動，完全兼容市場現有的所有標準柵極驅動器。

? 非常快速和堅固的本征體二極管，有利于實現更緊湊的逆變器。

ST目前量產的是第三代SiC MOSFET，以1,200V為例，第一代、第二代、第三代產品的Ron x Area在成倍降低，其優勢主要是：

? 更小的Ron x Area上代表整體輸出功率有所提高，電源模塊在相同的尺寸可以實現更高的功率。

? Ron x QG減小，可以擁有更高的開關頻率，更低的開關損耗。

ST SiC MOSFET產品組合包括650V、700V、1,200V和1,700V系列。第三代產品主要集中在650V、750V和1,200V。1,700V大批量用在太陽能輔助電源上。2,000V以上的碳化硅MOSFET也在開發中。

ST第三代 SiC MOSFET產品提供豐富的封裝可選，包括裸片、分立功率封裝（STPAK、H2PAK-7L、HiP247-4L和HU3PAK）和ACEPACK系列的功率模塊。這些封裝為設計者提供了創新功能，例如，專門設計的冷卻片可簡化芯片與電動汽車應用的基板和散熱器的連接，這樣，設計人員可以根據應用選擇專用芯片，例如，動力電機逆變器、車載充電機 (OBC)、DC/DC變換器、電子空調壓縮機，以及工業應用，例如，太陽能逆變器、儲能系統、電機驅動裝置和電源。

對比傳統的IGBT模塊，目前碳化硅模塊成本還較高。隨著市場玩家增多，產能逐漸擴大，其價格將會明顯下降，優勢更加明顯，更高的開關頻率、更低的開關損耗，可減少外圍電路尺寸，并降低系統成本，使碳化硅模塊成為未來的發展方向。因此，碳化硅模塊也是ST的主要發力方向。

意法半導體功率氮化鎵產品技術規劃

GaN被視為是另一種即將迎來大規模商用機遇的第三代半導體器件。GaN主要應用在射頻和功率器件兩個方面，而ST采取的策略是雙管齊下，同時布局功率轉換GaN和射頻功率GaN技術。它能與SiC技術互補，滿足客戶對功率器件的需求。

ST的GaN產品主要應用在更高效、更高功率密度下的開關電源上，細分市場包括服務器和通信電源、OBC和機電一體化平臺，以及能源生成、充電站和電力轉換。

2021年12月，意法半導體STPOWER產品組合推出了一個新系列——PowerGaN，并于近期宣布量產。ST POWER? GaN晶體管提高了墻插電源適配器、充電器、照明系統、工業電源、可再生能源發電、汽車電氣化等應用的性能。

GaN產品主要封裝形式包括PowerFLAT 5x6 HV，DirectGaN DSC PEP，PowerFLAT 8x8 DSC，LFPAK 12x12 TSC/BSC。

PowerFLAT 5x6 HV已有相應產品量產，并得到認證。

DirectGaN DSC PEP是雙面散熱，應用具有開爾文源極，外形靈活。

PowerFLAT 8x8 DSC也是雙面散熱，封裝外形較小。也具有開爾文源極，采用銅夾技術，具有更小的寄生參數。

LFPAK 12x12 TSC/BSC也采用銅夾技術，具有開爾文源，可靠性更高，寄生參數更小，熱阻更低，該封裝以及相應產品完全通過了所有認證，符合AEC-Q101這樣的汽車等級要求。

ST最近發布了PowerFLAT5×6封裝形式的產品，后續還將推出PowerFLAT 8×8和LFPAK 12×12等封裝形式，以及DirectGAN DSC。

未來，GaN還有望實現新的功率轉換拓撲結構，進一步提高能效，并降低功耗。意法半導體的GaN器件將加速功率轉換系統向GaN寬帶隙技術過渡。