安森美：SiC、GaN助力更小电源转换系统发展

根据IHS Markit分析，由于混合动力和电动汽车，电源和太阳能逆变器主要应用市场的需求，预计2020年碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）功率半导体的新兴市场将达到近10亿美元。全球主要功率半导体供应商TI、ST、Maxim、高通、ADI等纷纷抢攻推出新品。

图：安森美半导体工业及云电源公司营销及策略经理Ali Husain。

安森美半导体工业及云电源公司营销及策略经理Ali Husain在日前接受<电子发烧友>关于电源设计的挑战及趋势主题采访时表示，功率损耗和系统尺寸是电源设计的关键因素。相比以往电源系统设计使用的硅材料，碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）等材料的更低损耗可降低功率损耗，使用这些宽禁带（WBG）产品，使系统体积可以通过减少散热器或增加开关频率变得更小，从而使无源元件更小。

业界认为，由于SiC和GaN比Si材料高3倍的能量带隙、10倍的介电场强以及更快的开关速度和热导率。使得前者拥有更高的功率密度、更加环保，且能让电源系统更小更薄、更优化的成本和较低的工作温度和热应力。整个第三代半导体系统比硅系统更好。

安森美半导体作为电源半导体重要供应商之一，投入了大量资金研发宽禁带（WBG）产品。安森美半导体定位为以合理成本提供最可靠的WBG产品，产品范围宽广，涵盖SiC二极管、SiC MOSFET和氮化镓(GaN)，以满足对电力电子设备更高能效、更小体积及更低温度的要求。

以汽车应用为例，在汽车功能电子化的趋势下，为实现更高的能效，要提高电池电压，这就需要考虑宽禁带方案。如SiC可用于要求小型化、高功率的应用，如牵引逆变器，采用400V电池的逆变器能效增加65%，采用800V电池的逆变器能效提升则可达80%。GaN则在车载充电(OBC)方面更有优势，因为OBC的可用空间有限，而GaN频率范围更高，可缩减系统体积，降低开关损耗，实现更高能效。

另一方面，受可再生能源市场的快速增长推动，对电源和太阳能逆变器提出了更高的效率和功率密度要求，而搭载了WBG产品的高性能应用将完美解决这一问题。

Ali Husain指出，替代能源和能源储存系统将继续从较高功率系统转向较低功率系统。这可以通过采用较小组的面板以最大功率点工作来增加太阳能电池阵列产生的总功率。此外，分布式能源资源，如住宅太阳能，存储和虚拟发电厂，将有助于推动转向更小电源转换系统的发展。

不仅如此，WBG产品在照明领域节能90%，电力电子节能30%以上，系统体积减少三分之二。同时，它也是5G必须的基本材料。

Ali Husain表示，像碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）这样的宽禁带材料是提高功率密度和转换效率以及减小尺寸的领先技术。由于这些材料具有较低的导电损耗并且还可以更高的频率开关，电源系统设计人员可以在这些要求之间选择新的，更好的权衡取舍。如选择更高的频率，诸如电容器和电感器的无源元件的尺寸可更小，或保持相同的开关频率，但损耗可更低，并且可以使散热器和整体尺寸更小。即使宽禁带半导体的成本增加，但整个系统的成本仍可保持不变甚至更低。