宽带隙增强功率转换

能源需求正在增加

“节约能源”是我们都熟悉的口头禅，但全球需求不会很快下降。据工业能源协会称，到 2040 年，这一比例将从 2018 年的水平增加约 50%。乐观地说，只有三分之二的增长来自可再生能源。一些心理体操告诉我们，这意味着来自化石燃料的实际数量保持不变。您可能认为，未来拥有更多可再生能源意味着转换过程的效率将变得不那么重要。例如，无论您是否拦截太阳能并将其转化为电能，太阳能都会使环境变暖，并最终加热负载。能源损失仍然是不必要的花费，尤其是在当前可再生能源成本较高的情况下，因此石油和天然气仍与太阳能、风能、

电源转换：效率挑战

使用谐振转换技术的现代设计现在非常有效，以至于进一步改进基本元件特性，特别是半导体开关。理想情况是它们在“开关模式”设计中“关闭”或“打开”，只要“打开”确实是短路，在任何一种情况下都不会耗散功率。事实上，即使是几毫欧的导通电阻也会造成重大损失，并且随着晶体管在导通和截止状态之间转换，它会产生一些瞬态耗散。瞬态耗散水平可能会在很短的时间内达到千瓦级。因此，保持低损耗意味着降低导通电阻并加快器件开关速度，从而缩短瞬态耗散持续时间，并获得更低的平均值。氮化镓 (GaN)本质上更好，现在是进一步提高效率的巨大希望。

SiC 和 GaN 宽带隙器件缩小效率差距

与硅 (Si) 相比，SiC 和GaN在原子级别上完全不同。宽带隙是指将材料中的电子从“价带”移动到“导带”以供电流流动所需的能量。SiC 和 GaN 的价值大约是 Si 的两倍，对用这些材料制造的器件的影响是巨大的。导通电阻更低，开关速度更快，工作温度更高，管芯面积更小，特别是对于 SiC，导热性远好于 Si 或 GaN。这意味着作为一种组合，散发的热量更少，剩下的热量被有效地带走，从而制造出更小、更高效的设备。还有一些连锁反应：更高的效率意味着更少的外部冷却；更快的切换允许其他系统组件缩小尺寸，降低成本和产品尺寸；驱动开关所需的功率远低于竞争对手的 Si 器件；SiC 和 GaN 本质上是抗辐射的 (rad-hard)。这与它们的高温操作能力一起，使它们适用于航空航天应用。那么，有什么不喜欢的呢？

宽带隙半导体的应用正在加速

设计人员喜欢 SiC 和 GaN，但有一些警告：由于它们是新技术，成本不可避免地会更高。这些正在减少，制造商已经声称，如果将系统节省考虑在内，整体生命周期成本会更低。此外，驱动设备比使用 Si 更为关键，在某些情况下，用户在进行更改之前等待更多的可靠性数据来自更成熟的 Si 技术。

与此同时，SiC 和 GaN 器件制造商正在沿着进化之路稳步前行，宽带隙技术被认为还有一段路要走。导通电阻在降低，额定电压在增加，新颖的封装布置被用来最大限度地利用器件性能，并且实验室和现场可靠性数据在不断积累。即使是敏感的栅极驱动问题也可以通过与 Si MOSFET 共同封装的 SiC 或 GaN 器件的共源共栅布置来解决，以获得世界上最好的结果。

SiC 和 GaN 有望成为半导体开关的未来，其效率增益接近实际互连设定的理论极限。直到目标再次移动，电源工程师从帽子里拉出另一只宽带隙兔子。

Paul Lee 是 200 多篇关于电源主题的文章和博客的作者，也是一本关于电源设计技术的书：“电源说明”。作为一名特许工程师并拥有电子学学位，Lee 曾担任 Murata Power Solutions 的工程总监，并管理着欧洲电源制造商协会。

审核编辑黄宇