相信很多人都聽說過半導(dǎo)體,，那么你知道碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)半導(dǎo)體在功率應(yīng)用方面(特別是在電源市場中)比硅半導(dǎo)體具有優(yōu)勢,。但是,，使用這些寬帶半導(dǎo)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(dǎo)體將保持多年主流地位,，但在某些應(yīng)用中,，客戶可以利用寬禁帶半導(dǎo)體的特性，包括改善的帶隙(eV),，擊穿場(MV / cm),，熱導(dǎo)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(dǎo)體物理細(xì)節(jié)的情況下,，可以說這些改進(jìn)的參數(shù)使寬禁帶半導(dǎo)體適合于高電壓，高開關(guān)頻率的應(yīng)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(jìn)的設(shè)計目標(biāo),。 寬禁帶半導(dǎo)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(dǎo)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(yīng)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(jìn)行設(shè)計需要在設(shè)計階段進(jìn)行一些額外的工作,。

    傳統(tǒng)的硅半導(dǎo)體僅限于幾百千赫茲的開關(guān)頻率,，而SiC和GaN都可擴(kuò)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(jǐn)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(fēng)險。更快的開關(guān)速度會導(dǎo)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(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)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(dá)200 kV / μs,，閂鎖抗擾度高達(dá)400 kV / μs，這使其最適合當(dāng)今設(shè)計的高頻系統(tǒng),。

    真實世界的應(yīng)用程序

    讓我們考慮一下SiC和GaN在某些實際應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(dāng)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(biāo)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(biāo)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(biāo),。

    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(jìn)行柵極驅(qū)動,。適當(dāng)?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(rèn)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(yīng)用中的擴(kuò)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(jī)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(yīng)用中,，但是隨著應(yīng)用需求擴(kuò)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?/p>