寬帶隙（WBG）半導體器件的集成在多種技術應用中作為硅技術的替代品是一個不斷增長的市場，它可以提供效率和功率密度的改進，這對能源和成本節約有很大的影響［1］。WBG具有顯著優勢，例如更高的開關頻率、更低的功率損耗和更高的功率密度。繼續閱讀以了解有關基于WBG的半導體器件的廣泛應用的更多信息。

概述

WBG材料將推動未來應用領域的高性能，如圖1所示。在某些情況下，與GaN相比，某些關鍵應用從SiC中受益更多，但大多數情況下，很明顯，它們從基于WBG材料的實施中受益比傳統的基于硅的對應物更多。除了圖中所示的應用之外，一些應用還包括太陽能解決方案、單相組串式逆變器、三相組串式逆變器、利用風力發電、輔助電源、核心電源、熱插拔、服務器機架電源。其他一些應用是交通電氣化解決方案，如電動汽車輔助電源、牽引逆變器、電動汽車充電、起動發電機和車載充電器。

圖1.寬帶隙半導體器件的應用［4］。

寬帶隙（WBG）器件的應用

基于WBG的設備的高影響機會是巨大的。應用領域包括約占美國總電力需求40%的電機驅動器。據估計，目前安裝的電動機中有40%到60%可以受益于能夠有效適應速度和扭矩需求的變頻驅動器（VFD）［1］。根據應用的不同，采用VFD可以將能耗降低10%到30%。眾所周知，用于高功率應用的傳統VFD體積龐大且占用大量空間。通過使用基于WBG的VFD，可以提高尺寸、功率密度和效率，同時降低整體系統成本。

據了解，2014年數據中心的能源消耗約占美國總用電量的2%。大多數現代數據中心的電力輸送架構由工頻變壓器、低壓配電網絡、集中式備份單元和低效的電壓調節器。用于提高能源效率的策略包括從集成低損耗功率轉換器到重新設計供電網絡。然而，供電網絡的完全重新設計涉及在空間有限且必須進行適當熱管理的機架級轉換更高電壓。

航空航天工業是基于WBG的設備可以發揮作用的另一個領域。眾所周知，更長、更薄、更輕的機翼相對于目前的商用飛機可以減少50%的油耗和碳排放。實現這一目標將每年減少大量能源，但需要一種需要機電致動器的變革性機翼設計［3］。預計這些產品體積小、重量輕，可在較寬的溫度范圍內穩定運行。此外，電氣化可以減輕重量并提高效率。基于WBG的轉換器也為在航空運輸行業實現顯著節能提供了途徑。

在可再生能源集成（主要是太陽能和風能）等基于電網的應用中，以及高壓直流（HVDC）和柔性交流輸電系統（FACTS）等新興領域中，需要使用功率調節器來控制流量電。這是通過以最適合負載的形式提供電壓和電流來實現的。傳統的硅基電力電子設備造成這些應用中產生的所有電力損失大約4%，并被認為是已安裝系統的主要故障點。新型基于WBG的電子電路通過在更高的開關頻率下運行，從而降低了無源元件的尺寸并降低了整個系統的占位面積，從而提供了一條降低系統級成本的途徑。此外，這些電路將通過允許光伏陣列在更高電壓下運行來提高系統級效率。這反過來將使直流系統具有更少的電壓轉換或變壓器，從而用DC-DC轉換器取代傳統的匯流箱［4］。