当今和未来的电力电子宽禁带材料

今天，我们正处于电力电子新时代的早期阶段，该时代将塑造未来几十年。具有电池供电或混合动力发动机的电动汽车需求量很大，最终将取代汽油和柴油汽车。这些车辆从交流电网连接中获取能量，在这种情况下，车载充电器为车辆电池充电，或从快速外部直流充电器充电，在充电期间直接连接到车辆电池。由于从能源的角度或从环境的角度来看，用燃煤发电站的电力为车辆提供动力是没有意义的，因此对太阳能和风能的需求正在快速增长，同时储能系统也在储存能量以备不时之需。因此，电动汽车、车载充电器、电动汽车充电站、太阳能、风能和储能系统的市场正在快速增长。

电力电子市场快速增长的一个例子

电力电子快速增长的另一个领域是数据中心使用的组件，这是由于云计算、人工智能和在线互联网服务的使用增加。不间断电源为这些数据中心提供可靠的电力。数据中心电子设备中的电路板包含许多板载电源，可将主输入电压转换为 48 V，然后转换为用于驱动数据中心中的处理器、FPGA 和存储器的低电压。

这些新应用需要高效率和高功率密度。车载 EV 充电器不应占用太多车内空间。车载充电器的新发展允许相同的空间，但必须提供双倍的功率。公用事业规模太阳能农场中使用的太阳能逆变器是使用模块化单元建造的，可以由两个人移动。在不增加重量的情况下增加该单元的功率是太阳能逆变器的主要发展趋势。最后，在电池供电的车辆中，更高的效率会转化为更长的续航里程。更高的功率密度意味着更轻的车辆，这也将导致更长的行驶里程以及车辆设计的更大灵活性。

在这些应用中，硅功率半导体正被碳化硅和氮化镓功率开关所取代。SiC 和 GaN 是宽带隙材料，与传统的硅基功率开关（例如 IGBT 或硅 MOSFET）相比，它们允许功率开关在更高的温度、更高的频率和更高的电压下工作。

虽然它们经常一起被提及，但 SiC 和 GaN 之间存在一些重要差异，从而导致不同的使用领域。

对于给定的 R DS（on）和击穿电压，与 SiC 器件相比，GaN 器件具有更低的总电容。然而，与GaN相比，SiC具有更好的导热性和更平坦的温度系数，使得SiC在大功率和高温应用中更受欢迎。SiC 在需要 650 V 或更高设备的应用中找到了自己的方法，而 GaN 在 100 V 和 650 V 之间的应用中找到了自己的方法。额定击穿电压约为 100 V 的 GaN 设备用于中压功率转换48 V 降至更低电压。该电压范围适用于隔离总线转换器的云计算和电信基础设施。此外，用于云计算和 USB PD 应用的 AC/DC 电源将包含 650V GaN 电源开关，这是 AC/DC 转换的正确额定电压，具有 90 VAC 至 265 VAC 的通用输入电压范围。GaN 的高频率使得电源的无源元件可以小得多，从而形成极其紧凑的整体解决方案。

宽带隙应用

相比之下，碳化硅器件专为 650 V 及更高电压而设计。SiC 在 1，200 V 及更高电压下成为各种应用的最佳解决方案。从长远来看，太阳能逆变器、电动汽车充电器和工业 AC/DC 转换等应用都将迁移到 SiC。

前面提到的新市场将推动新市场。对交流中压电网电压的高效功率转换有着强烈的需求。碳化硅在固态变压器方面具有广阔的前景，其中目前的铜磁变压器被半导体取代，从而提高效率，减少谐波，增强电网稳定性。电力电子领域的下一场革命已经来临。崭露头角的 SiC 和 GaN 将有助于使电力电子的未来变得更高效、更紧凑，适用于各种应用。

审核编辑：彭静