在電力電子領(lǐng)域，硅在過(guò)去的 40 年中已成為主流技術(shù)；今天，硅功率晶體管和二極管是如此普遍和普遍，以這種材料為基礎(chǔ)的設(shè)備在我們的生活中無(wú)處不在。這種采用使硅能夠在創(chuàng)新封裝和互連技術(shù)的支持下進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)，從而增強(qiáng)熱管理并減少寄生效應(yīng)。憑借這種對(duì)改進(jìn)的不懈追求，我們正在達(dá)到一個(gè)平臺(tái)，在這個(gè)平臺(tái)上，進(jìn)一步的技術(shù)迭代只能是漸進(jìn)式的。

碳化硅 (SiC)和氮化鎵 (GaN ) 等寬帶隙材料 (WBG) 是硅的絕佳替代品，它們的商業(yè)化和采用被證明是一場(chǎng)真正的革命。這兩種技術(shù)的吸引力在于它們可以在更高電壓下運(yùn)行而不影響導(dǎo)通性能；它們可以承受更高的溫度，并且可以在更高的頻率下工作。它們的物理和電氣特性使其能夠達(dá)到無(wú)與倫比的小型化、可靠性和功率密度水平，以及電動(dòng)汽車(chē) (EV)逆變器和充電器、數(shù)據(jù)中心轉(zhuǎn)換器和工業(yè)驅(qū)動(dòng)器等要求苛刻的應(yīng)用中的所有必要功能，僅舉幾例一些。

表 1：寬帶隙半導(dǎo)體的物理特性確保硅具有有趣且有用的電氣優(yōu)勢(shì)。

SiC MOSFET 和 GaN HEMT（高電子遷移率晶體管）在很大程度上是互補(bǔ)的，因?yàn)樗鼈兏髯葬槍?duì)不同的應(yīng)用。電動(dòng)汽車(chē)受益于兩者的大規(guī)模采用，碳化硅 MOSFET 及其在 650V 至 1600V 之間的電壓下運(yùn)行的能力，是牽引逆變器、DC-DC 轉(zhuǎn)換器和 OBC 的理想選擇。在 650V 至 100V 的電壓下運(yùn)行，GaN 最終可能成為后兩種應(yīng)用的一項(xiàng)有價(jià)值的技術(shù)，因?yàn)樗哂懈叩念l率能力，因?yàn)樗兊酶映墒旌途哂谐杀拘б妗?/p>

SiC MOSFET 相對(duì)于硅解決方案（如 IGBT（加上續(xù)流二極管））的優(yōu)勢(shì)可以通過(guò)比較以 10kHz 運(yùn)行并從 800V 總線(xiàn)運(yùn)行的 210kW 逆變器的總芯片面積和損耗來(lái)量化，這需要 1,200V 開(kāi)關(guān)。根據(jù)負(fù)載，效率增益從 3% 到 8% 不等。更令人印象深刻的是，它以 5 倍小的芯片面積實(shí)現(xiàn)了更高的效率。

另一個(gè)有趣的基準(zhǔn)測(cè)試可以在半橋 LLC 轉(zhuǎn)換器中使用 GaN 來(lái)完成。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)磁性部件的高度集成，從而提高效率和功率密度，使其可用于多種功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用。這次硅開(kāi)關(guān)是采用超結(jié)（SJ）技術(shù)的高壓MOSFET。下圖顯示了電路原理圖以及效率差距曲線(xiàn)。基準(zhǔn)測(cè)試是在 500kHz 下進(jìn)行的，這對(duì)于 GaN 來(lái)說(shuō)足夠高以證明其卓越的性能。盡管兩種產(chǎn)品的電氣特性（擊穿電壓和導(dǎo)通電阻）非常相似，但 GaN 芯片面積比超級(jí)結(jié) MOSFET 小 75%，柵極電荷降低 70%，輸入電容 Ciss 降低 10%。

圖 1：半橋 LLC 轉(zhuǎn)換器

結(jié)論

硅正在走向成熟。由于它們的物理和電氣特性以及工業(yè)化，寬帶隙半導(dǎo)體正在介入以提供更高的效率和小型化。全面采用 WBG 新產(chǎn)品有助于提高能源效率并減少碳排放。

意法半導(dǎo)體的 SiC 和 GaN 的 STPOWER 系列 WBG 相得益彰，因此可以讓設(shè)計(jì)人員涵蓋更多應(yīng)用領(lǐng)域。ST 的 SiC 產(chǎn)品是汽車(chē)電氣化背后的主要推動(dòng)力，已被證明是硅產(chǎn)品的可行且可靠的替代品，可確保給定電池組的行駛里程更長(zhǎng)，緩解所謂的“里程焦慮”。STPOWER GaN HEMT 是另一項(xiàng)極具吸引力的技術(shù)，它適用于大約 100V 的較低電壓，同時(shí)仍能提供無(wú)與倫比的硅性能改進(jìn)。

審核編輯 黃昊宇