宽带隙技术对电源转换器的好处

众所周知，与硅相比，碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）等宽带隙（WBG）半导体可提供卓越的性能。这些包括更高的效率、更高的开关频率、更高的工作温度和更高的工作电压。

半导体物质中的电子能带分离。图片由AllAboutCircuits提供

WBG半导体在电压转换器、功率开关和高效二极管的制造中充当硅的有效替代品，极大地提高了功率转换级的效率。与传统的硅基技术相比，WBG半导体可以获得重要的改进，例如更高的功率效率、更小的尺寸、更轻的重量和更低的总体成本［2］。继续阅读以了解有关宽带隙器件基础知识的更多信息，并了解在电力电子系统中使用它们所带来的好处。

概述

第一个功率半导体于1952年推出。从那时起，硅一直是并且仍然是开关模式功率转换应用中的主要半导体材料。然而，自20世纪中期以来，WBG材料一直被认为是合乎逻辑的下一步。第一个SiCWBG半导体仅在2001年才商业化。

最近几天，GaNWBG半导体材料也更容易获得。主要用于发光二极管应用的半导体材料现在已成为功率转换应用领域中硅技术的重要替代品。这些WBG（特别是SiC和GaN）的市场增长反映了这些半导体材料相对于硅的优越特性。关键特性是较低的传导损耗、较低的开关损耗和高温操作。

WBG材料通常具有较大的能带隙。这是价键上限和导带下限之间存在的能隙。带隙允许半导体根据可从外部控制的电参数在导通（ON）和阻断（OFF）状态之间切换。更宽的带隙意味着更大的电击穿场，但也意味着在更高的温度、电压和频率下工作的机会。宽带隙也意味着更高的击穿电场和更高的击穿电压。克服硅的理论限制，像SiC和GaN这样的WBG半导体提供了显着的性能改进，即使在最恶劣的条件下也能高效可靠地运行。

WBG半导体的优势

与当前技术相比，WBG半导体有望为电力电子、固态照明和其他多种工业和清洁能源领域的各种应用领域的激动人心的创新铺平道路，其性能远远优于当前技术［3］。采用WBG器件的主要好处是消除了目前在交流到直流和直流到交流电源转换过程中出现的高达90%的功率损耗。高功率性能可以通过使用WBG器件来增强，并且已知比基于硅的器件高10倍。系统可靠性可以通过在更高的最高温度下运行来增强。

众所周知，使用WBG设备开发的系统与基于硅的设备相比更小、更轻。此外，生命周期的能源使用减少，为新应用的机会铺平了道路。由于工作频率高于硅基设备，因此可以确定紧凑且更便宜的产品设计。请注意，随着制造能力的提高和基于市场的应用程序的扩展，已知基于WBG的设备的成本将进一步降低。

为了达到特定应用所需的电压和电流额定值，需要实施新颖的器件设计。这些设计应该能够最大限度地利用WBG材料的特性［4］。需要替代包装材料或设计以承受WBG中的高温。也就是说，现有系统可能必须重新设计，以便以有助于提供其独特功能的方式集成WBG设备。

众所周知，SiC和GaN是用于高性能功率转换和电动汽车的下一代材料。采用基于WBG的器件可提供最高的可靠性，这些器件可在恶劣的环境条件下提供卓越的鲁棒性。使用基于WBG的设备［5］也可以实现稳健性和耐用性。总之，与硅相比，WBG材料提供的关键优势包括更低的导通电阻、更高的击穿电压、更高的热导率、更高的工作温度、更高的可靠性、接近零的反向恢复时间和出色的高频性能。