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)使設計人員能夠?qū)崿F(xiàn)這些改進的設計目標。 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,。但是設計人員需要了解,，使用寬禁帶技術(shù)進行設計需要在設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)設計快速充電產(chǎn)品，并且每種產(chǎn)品的設計目標都略有不同,。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?/p>