眾所周知，與硅相比，碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）等寬帶隙（WBG）半導(dǎo)體可提供卓越的性能。這些包括更高的效率、更高的開關(guān)頻率、更高的工作溫度和更高的工作電壓。

半導(dǎo)體物質(zhì)中的電子能帶分離。圖片由AllAboutCircuits提供

WBG半導(dǎo)體在電壓轉(zhuǎn)換器、功率開關(guān)和高效二極管的制造中充當(dāng)硅的有效替代品，極大地提高了功率轉(zhuǎn)換級(jí)的效率。與傳統(tǒng)的硅基技術(shù)相比，WBG半導(dǎo)體可以獲得重要的改進(jìn)，例如更高的功率效率、更小的尺寸、更輕的重量和更低的總體成本［2］。繼續(xù)閱讀以了解有關(guān)寬帶隙器件基礎(chǔ)知識(shí)的更多信息，并了解在電力電子系統(tǒng)中使用它們所帶來的好處。

概述

第一個(gè)功率半導(dǎo)體于1952年推出。從那時(shí)起，硅一直是并且仍然是開關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用中的主要半導(dǎo)體材料。然而，自20世紀(jì)中期以來，WBG材料一直被認(rèn)為是合乎邏輯的下一步。第一個(gè)SiCWBG半導(dǎo)體僅在2001年才商業(yè)化。

最近幾天，GaNWBG半導(dǎo)體材料也更容易獲得。主要用于發(fā)光二極管應(yīng)用的半導(dǎo)體材料現(xiàn)在已成為功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用領(lǐng)域中硅技術(shù)的重要替代品。這些WBG（特別是SiC和GaN）的市場增長反映了這些半導(dǎo)體材料相對于硅的優(yōu)越特性。關(guān)鍵特性是較低的傳導(dǎo)損耗、較低的開關(guān)損耗和高溫操作。

WBG材料通常具有較大的能帶隙。這是價(jià)鍵上限和導(dǎo)帶下限之間存在的能隙。帶隙允許半導(dǎo)體根據(jù)可從外部控制的電參數(shù)在導(dǎo)通（ON）和阻斷（OFF）狀態(tài)之間切換。更寬的帶隙意味著更大的電擊穿場，但也意味著在更高的溫度、電壓和頻率下工作的機(jī)會(huì)。寬帶隙也意味著更高的擊穿電場和更高的擊穿電壓?？朔璧睦碚撓拗?，像SiC和GaN這樣的WBG半導(dǎo)體提供了顯著的性能改進(jìn)，即使在最惡劣的條件下也能高效可靠地運(yùn)行。

WBG半導(dǎo)體的優(yōu)勢

與當(dāng)前技術(shù)相比，WBG半導(dǎo)體有望為電力電子、固態(tài)照明和其他多種工業(yè)和清潔能源領(lǐng)域的各種應(yīng)用領(lǐng)域的激動(dòng)人心的創(chuàng)新鋪平道路，其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于當(dāng)前技術(shù)［3］。采用WBG器件的主要好處是消除了目前在交流到直流和直流到交流電源轉(zhuǎn)換過程中出現(xiàn)的高達(dá)90%的功率損耗。高功率性能可以通過使用WBG器件來增強(qiáng)，并且已知比基于硅的器件高10倍。系統(tǒng)可靠性可以通過在更高的最高溫度下運(yùn)行來增強(qiáng)。

眾所周知，使用WBG設(shè)備開發(fā)的系統(tǒng)與基于硅的設(shè)備相比更小、更輕。此外，生命周期的能源使用減少，為新應(yīng)用的機(jī)會(huì)鋪平了道路。由于工作頻率高于硅基設(shè)備，因此可以確定緊湊且更便宜的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。請注意，隨著制造能力的提高和基于市場的應(yīng)用程序的擴(kuò)展，已知基于WBG的設(shè)備的成本將進(jìn)一步降低。

為了達(dá)到特定應(yīng)用所需的電壓和電流額定值，需要實(shí)施新穎的器件設(shè)計(jì)。這些設(shè)計(jì)應(yīng)該能夠最大限度地利用WBG材料的特性［4］。需要替代包裝材料或設(shè)計(jì)以承受WBG中的高溫。也就是說，現(xiàn)有系統(tǒng)可能必須重新設(shè)計(jì)，以便以有助于提供其獨(dú)特功能的方式集成WBG設(shè)備。

眾所周知，SiC和GaN是用于高性能功率轉(zhuǎn)換和電動(dòng)汽車的下一代材料。采用基于WBG的器件可提供最高的可靠性，這些器件可在惡劣的環(huán)境條件下提供卓越的魯棒性。使用基于WBG的設(shè)備［5］也可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健性和耐用性?？傊?，與硅相比，WBG材料提供的關(guān)鍵優(yōu)勢包括更低的導(dǎo)通電阻、更高的擊穿電壓、更高的熱導(dǎo)率、更高的工作溫度、更高的可靠性、接近零的反向恢復(fù)時(shí)間和出色的高頻性能。