宽带隙器件的应用有哪些

宽带隙（WBG）半导体器件的集成在多种技术应用中作为硅技术的替代品是一个不断增长的市场，它可以提供效率和功率密度的改进，这对能源和成本节约有很大的影响［1］。WBG具有显着优势，例如更高的开关频率、更低的功率损耗和更高的功率密度。继续阅读以了解有关基于WBG的半导体器件的广泛应用的更多信息。

概述

WBG材料将推动未来应用领域的高性能，如图1所示。在某些情况下，与GaN相比，某些关键应用从SiC中受益更多，但大多数情况下，很明显，它们从基于WBG材料的实施中受益比传统的基于硅的对应物更多。除了图中所示的应用之外，一些应用还包括太阳能解决方案、单相组串式逆变器、三相组串式逆变器、利用风力发电、辅助电源、核心电源、热插拔、服务器机架电源。其他一些应用是交通电气化解决方案，如电动汽车辅助电源、牵引逆变器、电动汽车充电、起动发电机和车载充电器。

图1.宽带隙半导体器件的应用［4］。

宽带隙（WBG）器件的应用

基于WBG的设备的高影响机会是巨大的。应用领域包括约占美国总电力需求40%的电机驱动器。据估计，目前安装的电动机中有40%到60%可以受益于能够有效适应速度和扭矩需求的变频驱动器（VFD）［1］。根据应用的不同，采用VFD可以将能耗降低10%到30%。众所周知，用于高功率应用的传统VFD体积庞大且占用大量空间。通过使用基于WBG的VFD，可以提高尺寸、功率密度和效率，同时降低整体系统成本。

据了解，2014年数据中心的能源消耗约占美国总用电量的2%。大多数现代数据中心的电力输送架构由工频变压器、低压配电网络、集中式备份单元和低效的电压调节器。用于提高能源效率的策略包括从集成低损耗功率转换器到重新设计供电网络。然而，供电网络的完全重新设计涉及在空间有限且必须进行适当热管理的机架级转换更高电压。

航空航天工业是基于WBG的设备可以发挥作用的另一个领域。众所周知，更长、更薄、更轻的机翼相对于目前的商用飞机可以减少50%的油耗和碳排放。实现这一目标将每年减少大量能源，但需要一种需要机电致动器的变革性机翼设计［3］。预计这些产品体积小、重量轻，可在较宽的温度范围内稳定运行。此外，电气化可以减轻重量并提高效率。基于WBG的转换器也为在航空运输行业实现显着节能提供了途径。

在可再生能源集成（主要是太阳能和风能）等基于电网的应用中，以及高压直流（HVDC）和柔性交流输电系统（FACTS）等新兴领域中，需要使用功率调节器来控制流量电。这是通过以最适合负载的形式提供电压和电流来实现的。传统的硅基电力电子设备造成这些应用中产生的所有电力损失大约4%，并被认为是已安装系统的主要故障点。新型基于WBG的电子电路通过在更高的开关频率下运行，从而降低了无源元件的尺寸并降低了整个系统的占位面积，从而提供了一条降低系统级成本的途径。此外，这些电路将通过允许光伏阵列在更高电压下运行来提高系统级效率。这反过来将使直流系统具有更少的电压转换或变压器，从而用DC-DC转换器取代传统的汇流箱［4］。