Qual é a diferença entre nitreto de gálio (GaN) e carboneto de silício (SiC)?

O silício dominou o mundo dos transistores por décadas. Mas isso está mudando. Foram desenvolvidos semicondutores compostos que consistem em dois ou três materiais que oferecem vantagens únicas e propriedades superiores. Por exemplo, com semicondutores compostos, desenvolvemos diodos emissores de luz (leds). Um tipo é composto de arsenieto de gálio (GaAs) e arsenieto de gálio e fósforo (GaAsP). Outros usam índio e fósforo. O problema é que os semicondutores compostos são mais difíceis de fabricar e mais caros. No entanto, eles têm vantagens significativas sobre o silício. Aplicações novas e mais exigentes, como sistemas elétricos automotivos e veículos elétricos (EVs), estão descobrindo que os semicondutores compostos atendem melhor às suas especificações rigorosas.

Dois dispositivos semicondutores compostos, transistores de potência de nitreto de gálio (GaN) e carboneto de silício (SiC), surgiram como esquemas. Esses dispositivos competem com MOSFETs de semicondutor de óxido metálico difundido transversalmente (LDMOS) de potência de silício de longa vida e MOSFETs de superjunção. Os dispositivos GaN e SiC são semelhantes em alguns aspectos, mas também existem diferenças significativas. Este artigo compara os dois e fornece alguns exemplos para ajudá-lo a decidir sobre seu próximo projeto.

Semicondutor de banda larga

Os semicondutores compostos são conhecidos como dispositivos de banda larga (WBG). Deixando de lado estruturas de rede, níveis de energia e outras físicas de semicondutores complicadas, digamos apenas que a definição de WBG é um modelo que tenta descrever como a corrente (elétrons) flui em um semicondutor composto. Os semicondutores compostos WBG têm maior mobilidade de elétrons e maior energia de bandgap, traduzindo-se em propriedades superiores às do silício. Transistores feitos de semicondutores compostos WBG têm maior tensão de ruptura e tolerância a altas temperaturas. Esses dispositivos oferecem vantagens sobre o silício em aplicações de alta tensão e alta potência.

Os transistores WBG também comutam mais rápido que o silício, permitindo-lhes operar em frequências mais altas. Menor resistência "ligada" significa que eles dissipam menos energia, melhorando a eficiência energética. Esta combinação única de características torna estes dispositivos atraentes para alguns dos circuitos mais exigentes em aplicações automotivas, especialmente veículos híbridos e elétricos. Os transistores GaN e SiC estão se tornando prontamente disponíveis para atender aos desafios dos equipamentos elétricos automotivos.

Os principais pontos de venda dos dispositivos GaN e SiC são estas vantagens:

Capacidade de alta tensão, disponível em dispositivos de 650 V, 900 V e 1200 V.

Velocidade de comutação mais rápida.

Temperatura operacional mais alta.

Menor resistência, dissipação mínima de energia e maior eficiência energética.

Transistores GaN

No campo da energia de radiofrequência (RF), descobriu-se que os transistores GaN apresentam oportunidades de negócios iniciais. A natureza do material permitiu o desenvolvimento de transistores de efeito de campo (FETs) em modo de depleção. FETs do tipo de esgotamento (ou tipo D), conhecidos como transistores pseudoestados de alta mobilidade eletrônica (PHEMTs), são dispositivos naturalmente "contínuos"; Como não há entrada de controle de portão, existe um canal de condução natural. O sinal de entrada do portão controla a ativação, ativação e desativação do canal do dispositivo.

Como em aplicações de comutação, geralmente são preferidos dispositivos aprimorados "desligados" (ou tipo E), isso levou ao desenvolvimento de dispositivos GaN tipo E. A primeira é uma cascata de dois dispositivos FET (Figura 2). Agora, dispositivos GaN tipo E padrão estão disponíveis. Eles podem ser ligados e desligados em frequências de até 10 megahertz, com potência de dezenas de quilowatts.

Dispositivos GaN são amplamente utilizados em dispositivos sem fio como amplificadores de potência com frequências de até 100 GHz.Alguns dos principais casos de uso são amplificadores de potência de estação base celular, radar militar, transmissores de satélite e amplificação de RF de uso geral.No entanto, devido à alta tensão (até 1.000 V), alta temperatura e comutação rápida, eles também são incorporados em diversas aplicações de energia de comutação, como conversores CC-CC, inversores e carregadores de bateria.

Transistores SiC

Os transistores SiC são MOSFETs naturais do tipo E. Esses dispositivos podem comutar em frequências de até 1 MHz, com níveis de tensão e corrente muito superiores aos MOSFETs de silício. A tensão máxima da fonte de drenagem é de cerca de 1.800 V e a capacidade de corrente é de 100 amperes. Além disso, os dispositivos SiC têm resistência muito menor do que os MOSFETs de silício, tornando-os mais eficientes em termos de energia em todas as aplicações de fonte de alimentação chaveada (projetos SMPS). Uma desvantagem importante é que eles exigem uma tensão de acionamento de porta mais alta do que outros MOSFETs, mas com melhorias no design, isso não é mais uma desvantagem.

Os dispositivos SiC requerem tensões de porta de 18 a 20 volts para passar por dispositivos com baixa resistência. Os MOSFETs de Si padrão requerem menos de 10 volts de porta para serem totalmente condutores. Além disso, os dispositivos SiC requerem um gate drive de -3 a -5 V para mudar para o estado desligado. No entanto, circuitos de gate driver dedicados foram desenvolvidos para atender a essa necessidade.Os MOSFETs de SiC são geralmente mais caros do que outras alternativas, mas suas capacidades de alta tensão e alta corrente os tornam adequados para uso em circuitos de energia automotivos.

Competição por transistores WBG

Os dispositivos GaN e SiC competem com outros semicondutores maduros, especialmente MOSFETs LDMOS de silício, MOSFETs de superjunção e IGBTs. Em muitas aplicações, estes dispositivos mais antigos estão sendo gradualmente substituídos por transistores GaN e SiC. Por exemplo, os IGBTs estão sendo substituídos por dispositivos SiC em muitas aplicações. Os dispositivos SiC podem ser ligados e desligados em frequências mais altas (100 KHZ + vs. 20 KHZ), permitindo reduzir o tamanho e o custo de qualquer indutor ou transformador e, ao mesmo tempo, melhorar a eficiência energética. Além disso, o SiC pode lidar com correntes muito maiores que o GaN.

Para resumir a comparação entre GaN e SiC, aqui estão os destaques:

GaN muda mais rápido que Si.

O SiC tem uma tensão operacional mais alta que o GaN.

SiC requer uma alta tensão de acionamento de porta.

Os MOSFETs de superjunção estão sendo gradualmente substituídos por GaN e SiC. O SiC parece ser o favorito para carregadores de carro (OBCs). Essa tendência sem dúvida continuará à medida que os engenheiros descobrirem dispositivos mais novos e ganharem experiência em seu uso.

Aplicações automotivas

Muitos circuitos de energia e dispositivos para aplicações automotivas podem ser melhorados pelo design de GaN e SiC. Um dos maiores beneficiários são os sistemas elétricos automotivos. Os veículos híbridos e elétricos puros modernos contêm dispositivos que podem usar esses dispositivos. Algumas dessas aplicações populares são OBC, conversores DC-DC, drivers de motor e radar a laser (LiDAR).

Conversor DC-DC. Este é um circuito de fonte de alimentação que converte a alta tensão da bateria em uma tensão mais baixa para operar outros equipamentos elétricos. A faixa atual de tensão da bateria chega a 600 ou 900 volts. O conversor DC-DC reduz para 48 volts ou 12 volts, ou ambos, para a operação de outros componentes eletrônicos. Em veículos elétricos híbridos e veículos elétricos (HEVEVs), o DC-DC também pode ser usado como barramento de alta tensão entre a bateria e o inversor.

Carregador de carro (OBCs). HEVEVs e EVs plug-in incluem um carregador de bateria interno que pode ser conectado a uma fonte de alimentação CA. Isto permite carregar em casa sem a necessidade de um carregador AC-DC externo.

Driver do motor de acionamento principal. O motor de acionamento principal é um motor CA de alto rendimento que aciona as rodas do veículo. O driver é um inversor que converte a tensão da bateria em corrente alternada trifásica para fazer o motor funcionar.

LiDAR. LiDAR refere-se a uma tecnologia que combina métodos de luz e radar para detectar e identificar objetos circundantes. Ele varre uma área de 360 ​​graus com um laser infravermelho pulsado e detecta a luz refletida. Esta informação é traduzida em imagens tridimensionais detalhadas num alcance de cerca de 300 metros, com resolução de alguns centímetros. A sua alta resolução torna-o um sensor ideal para veículos, especialmente condução autónoma, para melhorar o reconhecimento de objetos próximos. Os dispositivos LiDAR operam na faixa de tensão CC de 12 a 24 volts, derivada de um conversor CC-CC. Como os transistores GaN e SiC são caracterizados por alta tensão, alta corrente e comutação rápida, eles fornecem aos projetistas elétricos automotivos designs flexíveis e mais simples e desempenho superior.

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