宽带材料支持下一代电源策略

在当今的电力电子产品中，质量和可靠性是既定的，设计重点是最大限度地提高效率和功率密度，同时最大限度地降低成本。工作频率的急剧增加挑战了当前的设计实践，以提高电磁干扰/兼容性 (EMI/EMC) 性能和可制造性。宽带隙 (WBG) 功率半导体的最新进展使这些不同的目标成为可能。

材料的带隙取决于晶格中原子之间化学键的强度。更强的键使电子更难从一个轨道跳到另一个轨道。因此，较高带隙半导体表现出较低的本征电流损耗并能承受较高的工作温度。这些改进可实现更高的能量转换效率、更高的可靠性，并最终实现更高的盈利能力。

与传统的硅工艺相比，碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN) 等 WBG 半导体材料可实现更好的导热性、更高的开关速度和更小的器件尺寸。因此，它们使新一代电源成为可能。

氮化镓和碳化硅

材料的禁带是将电子从价带释放到导带所需的能量。硅、SiC 和 GaN 都是半导体，但硅的禁带为 1.12 电子伏特 (eV)，而 SiC 和 GaN 的禁带相对较宽，分别为 2.86 和 3.4 eV。SiC 和 GaN 更高的电子迁移率使它们能够实现更快的开关，因为通常在接头中积累的电荷可以更快地分散。

GaN 器件的快速上升时间、低电阻以及低栅极和输出电容降低了开关损耗并支持在更高频率下运行——通常比类似的硅基解决方案高一个数量级。减少的损失等同于更有效的能量分配、更少的热量产生和更简单的冷却解决方案。此外，高频操作可以通过减少体积、重量和材料要求(特别是用作变压器和电感器的磁性元件)来对解决方案的成本产生积极影响。

最受益于GaN技术优势的应用是开关电源。AC/DC 电源的目标是将交流电网电压转换为较低的直流电压，以便为低压电气设备供电或充电。GaN 技术可以在这个过程的所有阶段提高功率密度，从 AC/DC 转换到 DC/DC 转换和负载点 (POL) 分配。

图 1：器件损耗比较，GaN 与硅(图片：德州仪器)

德州仪器 (TI) 的 DualCool 和 NexFET GaN 功率 MOSFET 在封装的上部散发热量。由于这种特殊性，GaN MOSFET 可提供比同类硅器件多 50% 的电流，让设计人员可以在复杂应用中部署这些器件，而不会增加系统尺寸。换向时间也减少了(图 1)。

与此同时，碳化硅技术已被用于构建能够在 1,200 和 1,700 V 下运行的组件，并有望提供更高的电压。碳化硅有望覆盖工业、能源和交通领域的高端产品系列，取代迄今为止主导这些应用的绝缘栅双极晶体管 (IGBT)。

碳化硅技术正在大功率项目中得到应用，例如电机、电力驱动和逆变器或变频器，包括动力系统逆变器和车载充电器 (OBC)。电力驱动制造商正在开发驱动电路以支持转换器中更高的开关频率，通过使用更复杂的拓扑来降低电磁干扰 (EMI)。

与硅相比，碳化硅技术提供了卓越的开关性能和更高的可靠性。二极管没有反向恢复电流，开关性能与温度无关。出色的热性能、更高的功率密度和更低的 EMI 使 SiC 技术成为高性能汽车应用的一个有吸引力的选择，这些应用将继续激增。

图 2：FFSHx0120 的测试电路和波形(图片：ON Semiconductor)

安森美半导体的 SiC 二极管提供传统的表面贴装器件 (SMD) 和通孔封装，包括 TO-247、D2PAK 和 DPAK。Gen1 FFSHx0120 1,200-V 和 Gen2 FFSHx065 650-V 器件提供零反向复位、低正向电压、与温度无关的电流稳定性、浅漏电流、高过压容量和正温度系数(图 2)。

司机

新一代器件技术并不能直接替代其前代芯片，更高的允许开关速度带来了一系列新的设计挑战。

使用 SiC 和 GaN 时最棘手的挑战之一与驱动栅极的需求有关。碳化硅需要更高的栅源电压 (V(GS)) 并具有负极性才能关断。另一方面，GaN 的阈值电压 (Vth) 比硅低得多，但需要更精确的控制。一般而言，WBG 器件就其本质而言，其体二极管上的压降比传统硅更高，这需要更准确地控制停机时间和开关。

为了充分利用这些设备的特性，它们必须在更高的频率下运行。因此，有必要更仔细地控制布局寄生效应，这使得设计这些系统类似于 RF 设计。

审核编辑：汤梓红