在當今的電力電子產品中，質量和可靠性是既定的，設計重點是最大限度地提高效率和功率密度，同時最大限度地降低成本。工作頻率的急劇增加挑戰了當前的設計實踐，以提高電磁干擾/兼容性 (EMI/EMC) 性能和可制造性。寬帶隙 (WBG) 功率半導體的最新進展使這些不同的目標成為可能。

材料的帶隙取決于晶格中原子之間化學鍵的強度。更強的鍵使電子更難從一個軌道跳到另一個軌道。因此，較高帶隙半導體表現出較低的本征電流損耗并能承受較高的工作溫度。這些改進可實現更高的能量轉換效率、更高的可靠性，并最終實現更高的盈利能力。

與傳統的硅工藝相比，碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 等 WBG 半導體材料可實現更好的導熱性、更高的開關速度和更小的器件尺寸。因此，它們使新一代電源成為可能。

氮化鎵和碳化硅

材料的禁帶是將電子從價帶釋放到導帶所需的能量。硅、SiC 和 GaN 都是半導體，但硅的禁帶為 1.12 電子伏特 (eV)，而 SiC 和 GaN 的禁帶相對較寬，分別為 2.86 和 3.4 eV。SiC 和 GaN 更高的電子遷移率使它們能夠實現更快的開關，因為通常在接頭中積累的電荷可以更快地分散。

GaN 器件的快速上升時間、低電阻以及低柵極和輸出電容降低了開關損耗并支持在更高頻率下運行——通常比類似的硅基解決方案高一個數量級。減少的損失等同于更有效的能量分配、更少的熱量產生和更簡單的冷卻解決方案。此外，高頻操作可以通過減少體積、重量和材料要求(特別是用作變壓器和電感器的磁性元件)來對解決方案的成本產生積極影響。

最受益于GaN技術優勢的應用是開關電源。AC/DC 電源的目標是將交流電網電壓轉換為較低的直流電壓，以便為低壓電氣設備供電或充電。GaN 技術可以在這個過程的所有階段提高功率密度，從 AC/DC 轉換到 DC/DC 轉換和負載點 (POL) 分配。

圖 1：器件損耗比較，GaN 與硅(圖片：德州儀器)

德州儀器 (TI) 的 DualCool 和 NexFET GaN 功率 MOSFET 在封裝的上部散發熱量。由于這種特殊性，GaN MOSFET 可提供比同類硅器件多 50% 的電流，讓設計人員可以在復雜應用中部署這些器件，而不會增加系統尺寸。換向時間也減少了(圖 1)。

與此同時，碳化硅技術已被用于構建能夠在 1,200 和 1,700 V 下運行的組件，并有望提供更高的電壓。碳化硅有望覆蓋工業、能源和交通領域的高端產品系列，取代迄今為止主導這些應用的絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)。

碳化硅技術正在大功率項目中得到應用，例如電機、電力驅動和逆變器或變頻器，包括動力系統逆變器和車載充電器 (OBC)。電力驅動制造商正在開發驅動電路以支持轉換器中更高的開關頻率，通過使用更復雜的拓撲來降低電磁干擾 (EMI)。

與硅相比，碳化硅技術提供了卓越的開關性能和更高的可靠性。二極管沒有反向恢復電流，開關性能與溫度無關。出色的熱性能、更高的功率密度和更低的 EMI 使 SiC 技術成為高性能汽車應用的一個有吸引力的選擇，這些應用將繼續激增。

圖 2：FFSHx0120 的測試電路和波形(圖片：ON Semiconductor)

安森美半導體的 SiC 二極管提供傳統的表面貼裝器件 (SMD) 和通孔封裝，包括 TO-247、D2PAK 和 DPAK。Gen1 FFSHx0120 1,200-V 和 Gen2 FFSHx065 650-V 器件提供零反向復位、低正向電壓、與溫度無關的電流穩定性、淺漏電流、高過壓容量和正溫度系數(圖 2)。

司機

新一代器件技術并不能直接替代其前代芯片，更高的允許開關速度帶來了一系列新的設計挑戰。

使用 SiC 和 GaN 時最棘手的挑戰之一與驅動柵極的需求有關。碳化硅需要更高的柵源電壓 (V(GS)) 并具有負極性才能關斷。另一方面，GaN 的閾值電壓 (Vth) 比硅低得多，但需要更精確的控制。一般而言，WBG 器件就其本質而言，其體二極管上的壓降比傳統硅更高，這需要更準確地控制停機時間和開關。

為了充分利用這些設備的特性，它們必須在更高的頻率下運行。因此，有必要更仔細地控制布局寄生效應，這使得設計這些系統類似于 RF 設計。

審核編輯：湯梓紅