在電力電子領域，硅在過去的 40 年中已成為主流技術；今天，硅功率晶體管和二極管是如此普遍和普遍，以這種材料為基礎的設備在我們的生活中無處不在。這種采用使硅能夠在創(chuàng)新封裝和互連技術的支持下進行持續(xù)改進，從而增強熱管理并減少寄生效應。憑借這種對改進的不懈追求，我們正在達到一個平臺，在這個平臺上，進一步的技術迭代只能是漸進式的。

碳化硅 (SiC)和氮化鎵 (GaN ) 等寬帶隙材料 (WBG) 是硅的絕佳替代品，它們的商業(yè)化和采用被證明是一場真正的革命。這兩種技術的吸引力在于它們可以在更高電壓下運行而不影響導通性能；它們可以承受更高的溫度，并且可以在更高的頻率下工作。它們的物理和電氣特性使其能夠達到無與倫比的小型化、可靠性和功率密度水平，以及電動汽車 (EV)逆變器和充電器、數(shù)據(jù)中心轉換器和工業(yè)驅動器等要求苛刻的應用中的所有必要功能，僅舉幾例一些。

表 1：寬帶隙半導體的物理特性確保硅具有有趣且有用的電氣優(yōu)勢。

SiC MOSFET 和 GaN HEMT（高電子遷移率晶體管）在很大程度上是互補的，因為它們各自針對不同的應用。電動汽車受益于兩者的大規(guī)模采用，碳化硅 MOSFET 及其在 650V 至 1600V 之間的電壓下運行的能力，是牽引逆變器、DC-DC 轉換器和 OBC 的理想選擇。在 650V 至 100V 的電壓下運行，GaN 最終可能成為后兩種應用的一項有價值的技術，因為它具有更高的頻率能力，因為它變得更加成熟和具有成本效益。

SiC MOSFET 相對于硅解決方案（如 IGBT（加上續(xù)流二極管））的優(yōu)勢可以通過比較以 10kHz 運行并從 800V 總線運行的 210kW 逆變器的總芯片面積和損耗來量化，這需要 1,200V 開關。根據(jù)負載，效率增益從 3% 到 8% 不等。更令人印象深刻的是，它以 5 倍小的芯片面積實現(xiàn)了更高的效率。

另一個有趣的基準測試可以在半橋 LLC 轉換器中使用 GaN 來完成。這種拓撲結構可實現(xiàn)磁性部件的高度集成，從而提高效率和功率密度，使其可用于多種功率轉換應用。這次硅開關是采用超結（SJ）技術的高壓MOSFET。下圖顯示了電路原理圖以及效率差距曲線。基準測試是在 500kHz 下進行的，這對于 GaN 來說足夠高以證明其卓越的性能。盡管兩種產(chǎn)品的電氣特性（擊穿電壓和導通電阻）非常相似，但 GaN 芯片面積比超級結 MOSFET 小 75%，柵極電荷降低 70%，輸入電容 Ciss 降低 10%。

圖 1：半橋 LLC 轉換器

結論

硅正在走向成熟。由于它們的物理和電氣特性以及工業(yè)化，寬帶隙半導體正在介入以提供更高的效率和小型化。全面采用 WBG 新產(chǎn)品有助于提高能源效率并減少碳排放。

意法半導體的 SiC 和 GaN 的 STPOWER 系列 WBG 相得益彰，因此可以讓設計人員涵蓋更多應用領域。ST 的 SiC 產(chǎn)品是汽車電氣化背后的主要推動力，已被證明是硅產(chǎn)品的可行且可靠的替代品，可確保給定電池組的行駛里程更長，緩解所謂的“里程焦慮”。STPOWER GaN HEMT 是另一項極具吸引力的技術，它適用于大約 100V 的較低電壓，同時仍能提供無與倫比的硅性能改進。

審核編輯 黃昊宇