不久前，全球能源需求預計將繼續呈指數增長，但 2020 年的健康危機導致需求下降，一些主要經濟體在每周的某些時段內需求下降了 25% 以上。然而，預計主要由中國和印度經濟推動的全球反彈將刺激兩位數的 GDP 增長。

與此同時，聯合國制定了普遍獲得負擔得起的能源和擴大基礎設施的目標。這種增加能源消耗和發電的壓力可以被視為減少 CO 2排放的障礙，因此聯合國的目標還包括將全球能源效率的提高速度提高一倍。工程師們可能想知道這在真正的科學術語中意味著什么。它設定了一個基線要求，即在從公用事業規模到負載點以及從工業到電信和家庭的所有應用領域，不斷做得更好并最大限度地減少電源轉換器設計中的損耗。

功率轉換器中使用的半導體開關技術是改進的關鍵，而使用碳化硅 （SiC） 和氮化鎵 （GaN） 的新型寬帶隙（WBG） 類型有望取得重大進展。讓我們詳細研究一下這些優勢。

電源轉換的挑戰

工程師的術語也可能有點不精確：功率沒有轉換。理想情況下，在 AC/DC、DC/DC或 DC/AC 系統中輸入和輸出是相同的。但是在這個過程中不可避免地會經歷一些損失，這是我們盡量減少的。出于安全或功能原因，通常需要電壓轉換以及調節和電流隔離，并且整個過程使用開關模式技術以獲得最佳效率。

開關模式下的開關是晶體管，最初是雙極結型，但現在最常見的是金屬氧化物半導體場效應晶體管 （MOSFET） 或絕緣柵雙極晶體管 （IGBT），用于更高的電壓和功率水平。我們寄希望于的 WBG 器件通常是 SiC MOSFET，類似于硅類型和 GaN 高電子遷移率晶體管 （HEMT） 單元，它們更類似于制造的結柵場效應晶體管 （JFET）在增強模式下，它們通常以零柵極電壓關閉。稍后我們將更詳細地研究這兩種類型。兩者都比同類硅 MOSFET 具有更低的導通電阻和開關損耗，但前提是它們被最佳驅動，這是它們使用中的挑戰之一。可以使用許多不同的基本拓撲來設計電源轉換器，選擇最好的可能是一個決定成敗的決定。這取決于您的優先級，但如果這是效率，那么諧振拓撲通常是理想的。不過，硬開關、非諧振拓撲也有其一席之地，而且有時是唯一的選擇，例如圖騰柱功率因數校正 （PFC） 級。但在這些情況下，使用 WBG 半導體仍然可以產生良好的效率。

無論選擇哪種拓撲結構和半導體技術，我們將損耗降至最低的目標都集中在器件導通電阻和開關或動態損耗上。無源元件總會有損耗，但與開關損耗相比，這些通常在噪聲中。也存在一些互動。例如，GaN 可以實現非常高頻的操作，其中磁性更小，銅更少，從而降低了歐姆損耗。此外，還可以選擇一種拓撲結構，通常是多相方法，其中輸入和/或輸出紋波電流可以被布置為抵消，從而減少電容器等效串聯電阻 （ESR） 元件中的損耗。

選擇很簡單：為更好的設備支付更多費用，或者考慮將設備并聯以減少導通電阻損失。后一種方法具有不成比例的好處。舉個例子，讓我們比較兩個設備：每個設備中流過一半的電流，與同類型的一個設備相比，每個設備的功率是四分之一，因為 I 2 R 的平方。因此可以得出結論，兩個設備耗散總共是一個的一半的力量。然而，四分之一的功率在每個器件中產生的溫升要低得多，并且 R DS（on）會隨溫度顯著增加（圖 1）。每個器件的導通電阻更低，整體耗散也更低。R DS（on）的正溫度系數有助于電流共享。但除了成本之外，代價是驅動功率增加，整體組合開關電容增加，這會減慢開關速度并增加動態損耗。

圖 1：典型的 SiC MOSFET 導通電阻隨芯片溫度的變化（1，200V 器件）

開關損耗比傳導損耗更受應用電路的影響。理論上，SiC 和 GaN 都可以快速切換，以致同時電流和電壓的任何瞬態耗散僅持續幾納秒。如果頻率被推高，每秒的邊沿數增加，平均功率損耗增加。磁芯損耗也隨著頻率而增加，因此為特定拓撲選擇開關頻率是開關損耗、磁芯損耗以及更小、更便宜和更輕的磁芯優勢之間的折衷。EMI 也是一個因素，它可以在高頻下使用較小的濾波器進行控制，但來自快速邊沿速率的 EMI 可以通過潛行路徑繞過濾波器并導致它們自身的問題。

在一些現代應用中，例如逆變器和電機驅動器，開關頻率保持在較低水平，有時甚至低于 10 kHz，因為磁性元件的尺寸不像電機那樣直接隨頻率而變化。因此，提高頻率并沒有什么好處，除了電機控制響應性和平滑度的一些改進，因此 IGBT 仍然在這些領域占據主導地位，尤其是在更高功率的情況下。然而，快速 WBG 器件正在進入應用領域，因為它們在開關損耗方面的優勢即使在低頻下仍然可以有效提高系統效率，并且傳導損耗可以與 IGBT 相媲美，當然在較低功率水平下也是如此。

WBG半導體簡介

我們已經暗示了 SiC 和 GaN 為功率轉換帶來的優勢，但稍微解釋一下它們的基礎知識可能會有所幫助。帶隙是指將材料中的電子從原子價帶移動到導帶所需的能量，在那里它們可用于電流流動。在 WBG 材料中，該能量高于硅：SiC 為 3.2 eV，GaN 為 3.4 eV，而硅為 1.1 eV。更高的帶隙導致半導體中更高的臨界擊穿電壓和更低的泄漏電流，以及更高溫度操作和一定程度的輻射硬化的額外好處。盡管它們可以在超過 500°C 的溫度下工作，但 SiC 和 GaN 器件受封裝技術的限制，通常在 200°C 左右。然而，有效地增加了瞬態功耗的故障容限。該材料還具有更高的飽和電子速度，以實現更快的切換。使用 SiC，熱導率比硅好得多，允許在相同的功耗和溫升下使用更小的芯片。圖 2 總結了這些特性。

圖2：與硅相比的寬帶隙材料特性

與硅相比，導通電阻有所提高，因為在相同的額定電壓下，漂移層厚度可以減小，從而降低RDS（On）。在制造中，通過增加芯片中并聯單元的數量始終可以降低導通電阻，但這是以犧牲更大的芯片面積a為代價的，這會增加器件電容。這降低了開關速度并增加了成本，因為每個晶片的芯片產量降低了。因此，表明權衡的有用比較優值（FOM）是RDS（on）。A、 圖3顯示了WBG器件、硅超結MOSFET和IGBT的一些圖和歸一化芯片尺寸，所有這些器件都處于相同的電壓/電流等級。

圖3:SiC、GaN和其他技術之間的優值RDS（on）。

WBG器件的電容越小，驅動功率要求也越低，這可能是相當可觀的。如果SiC MOSFET替換逆變器中的六個IGBT，例如20 kHz時的柵極驅動損耗將從約10 W降至遠低于1 W。另一個有用的FOM是RDS（on）。EOS，表示給定類別設備的總傳導和開關能量損失。

Justifying the use of WBG devices

使用 SiC 或 GaN 的情況取決于您的觀點。假設零件成本很重要，并且您有一個可行的 IGBT 解決方案。在這種情況下，使用新技術開發產品的風險似乎令人生畏，尤其是在需要允許增加 EMI 等影響的情況下。有些器件采用 TO-247 等封裝，與 IGBT 和 Si MOSFET 兼容，可直接替代，但這很少是最佳解決方案。SiC MOSFET 通常需要比其他技術更高的柵極驅動電壓才能實現完全飽和。非常快的邊沿速率可能需要負關閉驅動來抵消米勒電容的影響，而共源電感往往會阻止關閉驅動（圖 4）。GaN 仍然比較棘手，具有非常低的導通電壓和絕對最大值，

圖 4：共源電感和米勒電容會導致柵極瞬變。

壓力下的電路操作也是一個重要的考慮因素。SiC MOSFET 確實具有雪崩等級，但 GaN 器件沒有，因此制造商必須保守地對他們的器件進行評級，以獲得連續最大值，因此有很好的余量。這使器件的電壓額定值稍稍落后于曲線，因此 GaN 通常用于較低的電壓范圍，而 SiC 很容易在 1，200 V 或更高電壓范圍內使用。器件還需要針對故障條件進行短路額定值，并且 WBG 器件的穩健性一直是深入研究的主題，在 GaN 中發現了新的故障機制，例如，由熱電子俘獲觸發。

許多電源轉換拓撲都表現出開關反向或三象限傳導，通常來自引起換向的感性負載或在雙向轉換器中，其中開關成為輸出整流器。IGBT 需要一個并聯二極管來實現這一功能，但 Si 和 SiC MOSFET 有一個可以導通的體二極管，盡管它具有高正向壓降和有限的恢復時間。GaN HEMT 單元沒有本征體二極管，而是通過它們的通道自然地反向傳導，沒有恢復電荷。然而，電壓降可能很高，并隨柵極閾值和柵極關態偏置電壓而變化。

盡管使用 WBG 器件有額外的考慮，但與 IGBT 和 Si MOSFET 相比，可實現的效率提高可以使效率目標更容易達到，例如用于服務器電源的 80+ 鈦。這不僅履行了法定義務，而且還節省了能源和成本。如果充分利用其性能，圍繞 SiC 或 GaN 設計的系統具有額外的優勢，例如更小、更輕、更便宜的磁性元件和散熱片。這些在電動汽車中可能具有雙重優勢，例如，更高的效率和連鎖效應還允許更長的續航里程。

WBG 制造發展

所有主要的半導體制造商都致力于不同側重點的WBG器件。例如，英飛凌一直致力于證明其 SiC MOSFET 柵極氧化物的穩健性，其溝槽結構允許在低柵極場強和低缺陷率的情況下實現低導通電阻。英飛凌的 e-mode CoolGaN 器件沒有柵極氧化物，測試顯示故障率小于 1 個 FIT（10 9小時內的故障）。英飛凌 CoolSiC 器件以模塊形式提供 1，700 V 額定值和 1，200 V 時低至 2 mΩ 的模塊。Infineon CoolGaN 器件采用 20 引腳 PG-DSO-20-85 封裝，電壓范圍為 600 V/60 A，導通電阻為 70-mΩ。

羅門半導體的第三代 SiC MOSFET 也采用溝槽結構，可提供 1，200 V 電壓，與第二代平面型相比，導通電阻降低了 50%。可用的封裝包括四引線 TO-247 版本，以避免其源極和柵極連接中的常見電感。Rohm 的 GaN 器件還實現了 8V 的柵極擊穿電壓額定值，從而提高了推薦驅動電壓 （5V） 與絕對最大值之間的裕度。Rohm 與 WBG 技術的主要參與者 GaN Systems 合作，專注于創新器件封裝，以實現器件的最高電氣和熱性能。Rohm‘s Island Technology 使用橫向排列的金屬條來降低電阻、電感、尺寸和成本。

STMicroelectronics 聲稱其在 200?C 時的額定溫度為業界最高的 1，200-V SiC MOSFET，并強調其領先的產品系列高達 1，700-V 的額定電壓和極低的導通電阻。STMicroelectronics 聲稱在溫度范圍內的變化遠小于競爭部件（圖 5）。STMicroelectronics SiC MOSFET 具有非常快速且堅固的體二極管，可有效用作續流二極管。

圖 5：STMicroelectronics SiC MOSFET 導通電阻僅隨溫度略微增加。

Panasonic 還通過其 X-GaN 技術在 GaN 器件方面取得了領先地位，該技術實現了增強模式但沒有電流崩塌，這種效應可能會導致器件故障，因為在施加高電壓的情況下會瞬時增加導通電阻。松下還擁有絕緣柵 GaN 器件技術，即柵極注入晶體管 （GIT），它克服了以前在這種布置中出現的柵極不穩定性和滯后現象。

結論

與以前的技術相比，采用 SiC 和 GaN 的 WBG 器件具有顯著優勢，尤其是從更大的系統圖景來看，其連鎖效應為其使用增添了令人信服的論據。應用程序設計規則各不相同，但制造商正在努力使這些部件更易于使用，大量積累的證據證明了它們的穩健性和可靠性。

審核編輯：郭婷