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功率器件的演變

2021-05-03 20:35:20 EETOP

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隨著世界圍內中產階級的增長以及車輛、暖通空調和工業驅動的電氣化推進，對電力的需求不斷增加。每個電力階段（發電、配電、轉換和消費）的可達成效率決定了整個電力基礎設施負擔的增加程度。

在每個階段，低效率的主要副產品是熱量。在許多情況下，需要更多的能量來移除或處理這些熱量。因此，減少每個階段的廢熱產生可以產生重大影響。

隨著世界范圍內中產階層的增加，汽車、HVAC、產業用驅動的電動化的推進，電力需求不斷增加。每個功率級（發電、配電、轉換、消費）可實現的效率決定了整個功率基礎架構的負擔程度。在每個階段，效率低下都會產生額外熱量，這是主要的副產品。在許多情況下，需要更多的能量來消除或處置這種熱量。因此，減少每個階段的廢熱的產生具有重大影響。

功率電子所產生的熱，主要是在轉換階段產生的，大部分是由導通損耗和開關損耗引起的。半導體的效率越高，產生的熱量就越少，能量的浪費也就越少。效率低的半導體產生的熱量不適合使用，大部分都是不必要的，但是隨著半導體技術和半導體材料的不斷改良，效率不斷提高，這樣的發熱也可以避免。

在功率半導體繼續發展的同時，它們在很大程度上受到終端市場需要的影響。今天，任何垂直領域、市場或應用都有其各自的電力需求。即使在幾年前，這些不同的需求也必須用幾乎相同的基礎半導體技術--硅場效應管來滿足。由于設備的限制，在所有情況下使用相同的技術只是導致更大或更小的損失，這取決于具體應用；一種技術并不能應對任何情況。

圖1：目前的功率半導體技術可以滿足所有現有的和新的應用

當前，電源開關有幾種不同的選擇。功率MOSFET是最基本的器件，主要用于擊穿電壓低于200V的應用。超級結MOSFET是功率MOSFET的延伸，設計用于處理更高的電壓，具有相對較快的開關特性。IGBT被認為是雙極晶體管和MOSFET的混合體，其開關波形最適合于硬開關拓撲，并用于大功率應用。

如今，SiC和GaN等寬禁帶（WBG）技術已經成熟，可以在適用于特定功率應用的所有標準中與硅FET和IGBT媲美。WBG的主要優點之一是其在高頻下有效切換的能力，這導致電源中使用的無源和磁性組件更小。此外，相對較低的反向恢復電流使它可以成為各種電源拓撲中的二極管替代產品，不僅可以提高整體效率，而且還可以提供全新的配置。

WBG功率晶體管的開發為原始設備制造商提供了更廣泛的開關解決方案選擇，使替代拓撲結構能夠實現更高的效率和更高的功率密度。這種選擇的廣泛性不僅在現有的應用中是有利的，而且也使實際利用電力的全新方式成為可能。圖騰柱PFC拓撲就是一個很好的例子，可以通過選擇WBG器件使其變得更加有用和可行。

縱觀當今的許多應用領域，幾乎每個領域都對電力電子設備有巨大的需求。在汽車工業中，動力傳動系統正變得越來越電氣化。隨著混合動力車輛和電動車輛的發展進步，需要AC-DC轉換和DC-DC轉換來支持車載電池的充電和電動機的驅動。可再生能源在電力基礎設施中占很大比例，并且預計這一比例將繼續增加。光伏發電需要逆變器，用來把直流轉換為交流電，并可以用于各種傳輸系統中。另一個補充應用是使用電池存儲來穩定電力需求。該技術取代了效率低下的煤炭和天然氣發電機，這些發電機需要在相對較短的時間內針對每個電網連接進行物理旋轉至指定速度。

我們的發電方式正在從化石燃料轉向可再生的綠色能源，如太陽能、風能和潮汐能。這些可再生能源的兼容性不如迄今為止在能源部門使用的天然氣和煤炭等資源。因此，每瓦特成本很高，但現在這種情況正在改變。電力電子設備效率的提高是太陽能和風能變得比化石燃料便宜的原因之一。隨著WBG的出現和傳統半導體技術的持續進步，可再生能源將成為現實，并將在未來的電氣化系統中發揮更大的作用。

效率是驅動力

電力負載所需的電壓和電流的幅度非常大，當電能達到最終產品時，功率水平將降至最低。這種功率水平的控制性降低需要進行轉換，并被描述為傳輸的最后階段。從效率的角度來看，這也是最重要的。

運行中的電源（發電機）與使用中的耗能設備（電子設備）之比是無法形容的。預計該行業將引入數百億個新設備作為物聯網的一部分，但發電機數量并未相應增加。為了維持這種趨勢，在電源生命周期的每個階段提高效率已經變得很重要。

適用于電源應用的WBG技術的關鍵特性包括相對較高的電子遷移率，較高的擊穿電壓，較高的耐溫性和較高的帶隙能量。這些特性使它能夠以比傳統的基于硅的功率晶體管更高的頻率開啟和關閉。低導通電阻值對于熱損耗大的功率電路也是必不可少的因素。

例如，GaN晶體管可以以MHz的速率切換數十千瓦。較高的開關頻率使GaN晶體管在RF發射器和放大器等應用中具有吸引力，，但正是高速開關高電壓的能力使氮化鎵適用于電源電路。同樣，SiC在開關速度和電壓方面也勝過硅FET和IGBT。由于兩種品質因數的有限交叉，SiC是GaN技術的補充，而不是與GaN技術競爭，兩者在大功率開關應用中均有很大優勢。

WBG帶來的好處不是無代價的。不僅成本相對較高，而且SiC和GaN都需要與硅FET和IGBT不同的柵極驅動器解決方案。幸運的是，這些技術的供應鏈正在迅速擴展。很多半導體廠商現已為所有這些技術制定了技術的、策略，包括硅場效應管、IGBT、SiC及GaN，以及專門設計用于支持SiC及GaN的柵極驅動器。

關鍵詞：碳化硅氮化鎵 SIC GaN WBG IGBT 第三代半導體