相信很多人都聽說過半導體，那么你知道碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)半導體在功率應用方面(特別是在電源市場中)比硅半導體具有優(yōu)勢。但是，使用這些寬帶半導體(寬禁帶)的設(shè)計人員面臨著現(xiàn)實生活中的挑戰(zhàn)。

盡管硅半導體將保持多年主流地位，但在某些應用中，客戶可以利用寬禁帶半導體的特性，包括改善的帶隙(eV)，擊穿場(MV / cm)，熱導率(W / cm-K)，電子遷移率(cm2 / Vs)和電子漂移速度(107 cm / s)。在不涉及半導體物理細節(jié)的情況下，可以說這些改進的參數(shù)使寬禁帶半導體適合于高電壓，高開關(guān)頻率的應用，同時提高了功率密度和散熱。

客戶需要更小，更低溫，更高效的產(chǎn)品。電源是一個充滿活力的市場，寬禁帶技術(shù)使設(shè)計人員能夠?qū)崿F(xiàn)這些改進的設(shè)計目標。 寬禁帶半導體功率開關(guān)的主要優(yōu)點包括高電流密度，更快的開關(guān)速度和更低的漏源導通電阻(RDS(on))。從終端客戶的角度來看，這些設(shè)備性能的提高可帶來重大的系統(tǒng)級收益。在現(xiàn)實生活中的應用中，客戶可以實現(xiàn)高溫操作，并降低整個系統(tǒng)的尺寸并減輕重量。但是設(shè)計人員需要了解，使用寬禁帶技術(shù)進行設(shè)計需要在設(shè)計階段進行一些額外的工作。

傳統(tǒng)的硅半導體僅限于幾百千赫茲的開關(guān)頻率，而SiC和GaN都可擴展到兆赫茲的范圍(圖1)。增加的開關(guān)頻率允許在設(shè)計中使用較小的磁性元件，但同時也帶來了電磁干擾(EMI)的挑戰(zhàn)。這只是設(shè)計師需要謹慎的一個例子。

更小，更低溫，效率更高

增加開關(guān)頻率是設(shè)計人員可用的最佳工具之一。雖然非常期望增加開關(guān)頻率的優(yōu)點，例如較低的損耗和減小的尺寸，但是存在風險。更快的開關(guān)速度會導致更高的開關(guān)瞬變。例如，在基于GaN電源開關(guān)的最新功率轉(zhuǎn)換器設(shè)計中，開關(guān)時間比傳統(tǒng)系統(tǒng)快約10至20倍。更快的開關(guān)速度(典型值為5 ns)和高電壓軌(≥600V)導致瞬態(tài)電壓增加(≥120kV / μs);因此，隔離式柵極驅(qū)動器的共模瞬變抗擾性(CMTI)發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

用于信號完整性和閂鎖抗擾性的行業(yè)標準結(jié)隔離和光耦合柵極驅(qū)動器CMTI值低于要求的水平。電容耦合和變壓器耦合的柵極驅(qū)動器極大地提高了性能。最新的電容耦合解決方案規(guī)定CMTI的信號完整性高達200 kV / μs，閂鎖抗擾度高達400 kV / μs，這使其最適合當今設(shè)計的高頻系統(tǒng)。

真實世界的應用程序

讓我們考慮一下SiC和GaN在某些實際應用中的優(yōu)勢。電動汽車(EV)車外充電是最有趣和增長最快的應用之一，其中包括快速充電器和充電站的市場。 SiC確實可以在此應用中增加價值。

工程師可能正在為各種客戶群體(例如市政當局，企業(yè)和EV所有者)設(shè)計快速充電產(chǎn)品，并且每種產(chǎn)品的設(shè)計目標都略有不同。這并不是一個詳盡的清單，但是一些最重要的目標是可靠性，小尺寸，輕巧和高效，同時將充電時間保持在30分鐘或更短。 SiC器件可以幫助實現(xiàn)所有這些目標。

除了上述功率級之外，設(shè)計人員還必須選擇合適的器件進行柵極驅(qū)動。適當?shù)腟iC柵極驅(qū)動器需要支持大功率MOSFET的快速開關(guān)時間以及較高的系統(tǒng)效率，并且需要在固有噪聲環(huán)境中保持穩(wěn)健。

實際上，這意味著柵極驅(qū)動器必須驅(qū)動高電流，并且必須具有低延遲和高抗擾性。精心的系統(tǒng)級設(shè)計將產(chǎn)生可靠，性能良好且緊湊的充電站。有人可能會認為，采用突破性技術(shù)的設(shè)計人員將需要在成本上做出妥協(xié)，但現(xiàn)實是，利用SiC的優(yōu)勢將降低充電站的整體成本。

至于GaN在現(xiàn)實應用中的擴展，無線充電是最熱門的領(lǐng)域之一。隨著無線充電成為手機越來越普遍的趨勢，GaN使工業(yè)客戶也可以利用該技術(shù)的優(yōu)勢。在高頻下，GaN表現(xiàn)出比硅最明顯的優(yōu)勢。硅用于較低功率的應用中，但是隨著應用需求擴展到數(shù)十瓦甚至什至千瓦，效率變得越來越重要。更高的開關(guān)頻率不僅可以提高效率，還可以提供其他優(yōu)勢，客戶可以從中受益。以上就是SiC和GaN用于功率轉(zhuǎn)換的前景的分析，希望能給大家?guī)椭?