第三代半導體設計挑戰
電源晶片產業大約 20 年會有一次革命性突破，GaN 與 SiC 目前正引領這波新革命。因為新世代半導體的先天優勢，帶來微型與高頻化的趨勢，基於這個趨勢，介紹對於EMC和磁性元件所帶來的設計挑戰與模擬解決方案。
Last updated
電源晶片產業大約 20 年會有一次革命性突破，GaN 與 SiC 目前正引領這波新革命。因為新世代半導體的先天優勢，帶來微型與高頻化的趨勢，基於這個趨勢，介紹對於EMC和磁性元件所帶來的設計挑戰與模擬解決方案。
Last updated
矽材料的應用已經盛行業界數十年，主要分為兩類: IGBT與MOSFET。而IGBT特性為耐高壓、大電流，但缺點為無法耐高頻。而MOSFET的特性則是相反，適合低壓、小電流，但卻能在應用在高頻切換的拓譜。在技術發展上，受制於矽材料的物理特性，要克服兩者的痛點，是非常有難度的研究。想更了解細部比較，可以參考 https://www.electronicproducts.com/mosfet-vs-igbt/
GaN(氮化鎵)與SiC(碳化矽)這兩種寬能隙(wide band gap)半導體稱為第三代半導體[註1]。第三代半導體是5G、電動車、高功率應用(如快速充電)、雷達等重要關鍵元件。 因具有更好的物理和化學特性，所以有四高的特性(高功率、高功率密度、高耐溫，以及高貴的價格)，使晶片面積可大幅縮小，簡化周邊電路設計。 第三代半導體比傳統半導體材料矽(Si)的能隙要寬的多(請參考[1]的table1)，能隙是決定半導體的崩潰電場，即能承受的電壓，能隙越寬的材料越能耐高電壓、高電流。 但同時，高dv/dt的特性，他會為EMI帶來明顯的缺點。 有著上述的特性，所以美國的Virginia Tech李澤元教授稱第三代半導體為Game changer devices。所謂的Game changer就是有能力顛覆目前市場的關鍵元件。
GaN比傳統矽具有更好的速度和電氣特性，並且可以實現更高的功率密度，這是其在電力電子和射頻應用中廣泛用於替代傳統矽的主要原因。下表是GaN和傳統矽相比的優勢：
導電性能
更好
較差
熱阻值
較低
較高
切換速度
更快
較慢
功率密度
更高
較低
GaN可以應用在低功率電源和射頻的應用，但電源和射頻應用對元件可靠度、成本的需求不同，製作上會有不同的考量。近年來800V直流快速充電，使充電樁大幅縮短電動車的充電時間，這也使得高壓1200V SiC功率元件產品引人入勝。
再一個例子是車載充電器OBC，過往操作多在50~60kHz，此時SiC、GaN對比Si的優勢並不大，主要在切換損耗上面有較少的損失。但當頻率拉升至100kHz的時候，Si會明顯的跟不上，寬能隙半導體會在切換損與導通損上盡顯優勢。不考慮大電流應用，如果進一步拉升頻率至120kHz~150kHz，SiC的效能就會到了極限，甚至日後超過200kHz頻率的應用，此時就是GaN的優勢發揮的場合了。所以現行的OBC雖然以SiC為主要開發，但長遠的未來會是以GaN為主；而逆變器應用則看應用場域和設計者的發揮。
參考文獻[1]是一篇很棒的文獻，裡面對新世代半導體做了詳盡地分析。例如在[1]的Fig. 4.內容中用三個Case介紹了新舊世代半導體的EMI比較。Case1的黃線，是傳統矽元件，且有著較低的切換頻率。Case 2的橘線是新世代半導體SiC，使用同樣較低的切換頻率。兩者相比，明顯地觀察到在中高頻的地方，新世代半導體有著較高的輻射。而Case 3 的藍線是使用SiC並有著較高的切換頻率，而其EMI的表現不論是在傳導或是輻射的頻段都會是最具挑戰的。
新世代切換元件，是不是對於EMI來說都是壞的，其實不一定，下面就是要說明這樣的例子。如圖0-3公式，因為有著較高的臨界場電壓，所以在相同的崩潰電壓下，SiC與GaN有較薄的drift region。因此有較低的電阻與較低的前饋電壓。當Ecrit越大，Ron越小。也就意味著在PN diode上，新世代半導體有著更低的forward voltage。
對於二極體來說，新世代半導體有更小的reverse recovering current & reverse recovering time(Trr)。這對EMI是有幫助的。如[1]Fig.2 (a)電流電壓波形圖可以看到，SiC的diode有著最小的Trr與reverse recovering current。
因為較低的Trr與reverse recovering current，在EMI的表現上SIC diode也帶來明顯的好處。如[1]Fig.2(b)的EMI頻譜。
面對第三代半導體帶來的高頻與小型集成化需求下，我們會面臨到效能、效率、安全、EMC、壽命、成本的設計挑戰。例如頻率未來有可能會遇到切頻大於20kHz，集成化帶來的過電壓問題與熱的問題，依據不同產品需要不同架構的最佳化需求。以及高頻高速帶來的EMC與壽命問題。
簡而言之，SiC和GaN在電力電子應用中的特點使其比傳統技術具有更高的功率密度、更大的控制和開關速度、更低的損失和更高的溫度和電壓容忍度。
目前應用趨勢:
電力工具: 由於SiC元器件比傳統硅元器件能承受更高的電壓和更高的溫度，使其在電力工具和開關應用上更具競爭力。
太陽能逆變器: GaN器件用於太陽能逆變器，可實現更高的開關速度、增強的控制、更高的電流處理能力和更低的損失。圖0-5是太陽能面板的示意圖。
電動汽車: SiC和GaN器件被用於電動汽車中，實現了更高的轉換效率、更高的功率密度以及快速充電技術。
電動車充電技術: SiC和GaN器件可以實現電動車快速充電技術。
未來應用趨勢:
高速火車、飛機和船: 隨著SiC和GaN技術的進步，相應器件可以承受更高的溫度和電壓，使其能夠在高速火車、飛機和船的高效能源轉換中得到廣泛應用。
無線充電: 大至車用無線充電(圖0-圖0-6)，小至智能手錶無線充電，無線充電比起傳統有線的缺點就是效率轉換，用第三代半導體能提高轉換效率，所以未來的大量無線充電應用是可期的。
[註1]：第一代是Si 半導體，第二代是砷化鎵半導體。
圖0-5
圖0-6
