宽带隙半导体：到电动汽车及以后

在电力电子领域，硅在过去的 40 年中已成为主流技术；今天，硅功率晶体管和二极管是如此普遍和普遍，以这种材料为基础的设备在我们的生活中无处不在。这种采用使硅能够在创新封装和互连技术的支持下进行持续改进，从而增强热管理并减少寄生效应。凭借这种对改进的不懈追求，我们正在达到一个平台，在这个平台上，进一步的技术迭代只能是渐进式的。

碳化硅 (SiC)和氮化镓 (GaN ) 等宽带隙材料 (WBG) 是硅的绝佳替代品，它们的商业化和采用被证明是一场真正的革命。这两种技术的吸引力在于它们可以在更高电压下运行而不影响导通性能；它们可以承受更高的温度，并且可以在更高的频率下工作。它们的物理和电气特性使其能够达到无与伦比的小型化、可靠性和功率密度水平，以及电动汽车 (EV)逆变器和充电器、数据中心转换器和工业驱动器等要求苛刻的应用中的所有必要功能，仅举几例一些。

表 1：宽带隙半导体的物理特性确保硅具有有趣且有用的电气优势。

SiC MOSFET 和 GaN HEMT（高电子迁移率晶体管）在很大程度上是互补的，因为它们各自针对不同的应用。电动汽车受益于两者的大规模采用，碳化硅 MOSFET 及其在 650V 至 1600V 之间的电压下运行的能力，是牵引逆变器、DC-DC 转换器和 OBC 的理想选择。在 650V 至 100V 的电压下运行，GaN 最终可能成为后两种应用的一项有价值的技术，因为它具有更高的频率能力，因为它变得更加成熟和具有成本效益。

SiC MOSFET 相对于硅解决方案（如 IGBT（加上续流二极管））的优势可以通过比较以 10kHz 运行并从 800V 总线运行的 210kW 逆变器的总芯片面积和损耗来量化，这需要 1,200V 开关。根据负载，效率增益从 3% 到 8% 不等。更令人印象深刻的是，它以 5 倍小的芯片面积实现了更高的效率。

另一个有趣的基准测试可以在半桥 LLC 转换器中使用 GaN 来完成。这种拓扑结构可实现磁性部件的高度集成，从而提高效率和功率密度，使其可用于多种功率转换应用。这次硅开关是采用超结（SJ）技术的高压MOSFET。下图显示了电路原理图以及效率差距曲线。基准测试是在 500kHz 下进行的，这对于 GaN 来说足够高以证明其卓越的性能。尽管两种产品的电气特性（击穿电压和导通电阻）非常相似，但 GaN 芯片面积比超级结 MOSFET 小 75%，栅极电荷降低 70%，输入电容 Ciss 降低 10%。  

图 1：半桥 LLC 转换器

结论

硅正在走向成熟。由于它们的物理和电气特性以及工业化，宽带隙半导体正在介入以提供更高的效率和小型化。全面采用 WBG 新产品有助于提高能源效率并减少碳排放。

意法半导体的 SiC 和 GaN 的 STPOWER 系列 WBG 相得益彰，因此可以让设计人员涵盖更多应用领域。ST 的 SiC 产品是汽车电气化背后的主要推动力，已被证明是硅产品的可行且可靠的替代品，可确保给定电池组的行驶里程更长，缓解所谓的“里程焦虑”。STPOWER GaN HEMT 是另一项极具吸引力的技术，它适用于大约 100V 的较低电压，同时仍能提供无与伦比的硅性能改进。

审核编辑 黄昊宇