電力電子技術日新月異，寬帶隙半導體技術越來越受歡迎。由于其高工作溫度以及更高的開關電壓和頻率，它們實際上正在取代所有舊的硅解決方案。寬帶隙(WBG)半導體無疑構成了未來電子學的一場真正的革命。其中最重要的是碳化硅 (SIC) 和氮化鎵 (GaN)，它們與傳統硅基半導體相比具有卓越的性能，正在徹底改變電子世界。

　　WBG 半導體覆蓋了整個電子市場，此前一直由硅占據。碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 屬于寬帶隙 (WBG) 半導體類別，與傳統硅半導體相比具有多種優勢，而傳統硅半導體現已達到性能極限。它們的特點是價帶和導帶之間存在特別大的差異。帶隙大約是硅帶隙的三倍，這使得可以達到更高的工作溫度以及更高的工作電壓。

　　SiC 和 GaN mosfet 的一大優點是器件導通時源極和漏極通道之間的電阻值較低。該參數定義為 Rds(ON)，是設計人員必須在數據表中遵守的首要值之一。這個值，特別是對于碳化硅器件來說，甚至可以比硅元件低一千倍。因此，與現有技術相比，新型寬帶隙半導體材料具有明顯的改進，其優點包括更低的功率損耗、更高的高溫魯棒性以及在明顯更高的開關頻率和工作電壓下工作的可能性。

　　這兩種半導體都有應用，特別是在電力電子領域。一般來說，GaN 比 SiC 更快，因此可以實現更快的開關速度。SiC 提供更高的擊穿電壓，且價格略低。此外，它們分布在非常常見的封裝中，例如 TO-220，允許在現有項目中簡單快速地替換。從圖1可以看出，一般意義上的半導體是電導率介于導體和絕緣體之間的材料。

　　可以通過向元件的某個觸點施加電場來調節該電導率。碳化硅是最有前途的寬帶隙半導體之一，具有更高的能源效率、更低的發熱、更長的使用壽命以及抗沖擊和振動能力。GaN 更大的電子遷移率使其更適合高頻應用，因為其柵極具有非常低的電容。另一方面，SiC 具有更高的熱導率，非常適合不需要高頻開關的低頻電路和高功率應用(例如汽車和太陽能)。盡管如此，該系統主要在高電壓下運行。

　　帶隙 (WBG) 半導體應用領域

　　WBG 半導體電子元件非常適合電力應用，但其在許多領域的用途高度多樣化。此外，SiC 和 GaN 對于創建高效、緊湊的器件非常有效。當今的主要應用領域之一是電動汽車領域，專門用于電動汽車和車輛充電基礎設施，有時能夠提供數百千瓦的電力。與清潔能源生產相關的行業，如風能和太陽能，也是碳化硅和氮化鎵元件的關注重點，這些系統通常需要巨大的功率，甚至在兆瓦范圍內。

　　當然，也不排除鐵路運輸領域，它需要管理極其強大的發動機，以及通過機器人設備和自動機器控制的工業自動化。更詳細地說，WBG 元件在能量轉換器、電動機驅動、逆變器、LED 照明系統、電源以及通信設備中有著廣泛的應用。碳化硅特別適合高功率應用，因為它可以承受比硅高得多的電壓。它們的特點是導熱率提高且功率損耗低。SiC 組件還特別適合輸電系統、電動汽車、光伏系統和充電站的應用。有了它們，就有可能擁有具有更大自主權的車輛，

　　一個重要的應用領域是可再生能源。例如，碳化硅轉換器用于太陽能和風能系統，以提高電力轉換效率，增加可再生能源的產量。由于使用高電壓，可以減少電纜的截面和成本。由于 WBG 器件的開關頻率更高(遠高于 Si 和 Ge)，因此可以制造出更快、更精確的器件，但最重要的是，器件體積更小，因為電感元件(電感和變壓器)的尺寸可以更小。

　　Rds(ON) 參數

　　SiC 或 GaN MOSFET 最重要的參數之一是漏極-源極溝道在導通期間的電阻，定義為 Rds(on)。在硅器件中，它與溫度密切相關，并且其增加幅度遠大于成比例。這個問題也存在于 SiC 器件中，但程度要小得多。GaN器件在這方面也優于硅。對于這種半導體，Rds(on) 值也明顯降低。在開關應用以及靜態應用中，WBG MOSFET 具有較低的功率損耗，并且可以在非常高的電壓和頻率下工作。

　　因此，該參數的降低有助于大幅降低傳導損耗。圖2中的電氣圖是一個應用示例，其中非常高的電流通過功率負載(R1)。本示例中以靜態模式使用的 SiC 器件具有以下特性：

　　型號：UF3C065030K3S

　　漏源電壓：650V

　　典型漏源導通電阻：27 mΩ

　　連續漏極電流：85 A

　　脈沖漏極電流：230 A

　　功耗：441W

　　最高結溫：175°C

　　在圖中，柵極上的電壓允許 MOSFET 將非常高的電流(約 32 A)傳導至 3Ω 負載。在電路的穩態工作期間，可以檢測到以下功率：

　　發電機V1產生的功率：3045.47 W

　　負載 R1 消耗的功率：3019.17 W

　　MOSFET M1 功耗：26.30 W

　　與MOSFET柵極相關的功率無關，因為它們的量級為 uW。知道器件漏極上的電壓和流過負載的電流，計算 Rds(on) 值非常簡單，如下所示：

　　新計算的 Rds(on) 值證實了組件官方數據表上發布的數據，并且在各種工作條件下都非常穩定和恒定。

　　現在，根據各種參數的變化來分析和觀察 Rds(on) 的變化是很有趣的。圖 3 中的圖表突出顯示了該參數隨其他值變化的趨勢，特別是：

　　頂部的第一張圖“Rds(on) 與溫度”顯示了器件導通時的電阻值，對于相同的負載，在 -20°C 和 +180°C 之間改變結溫?？梢钥闯?，該電阻值極低。

　　中間的第二張圖“Rds(on) 與漏極電流”顯示了器件導通時的電阻值，以及在 0°C、70°C 和 140° 溫度下流經 MOSFET 漏極的電流的變化C。在這種情況下，所討論的值非常穩定。

　　“Rds(on) 與柵源電壓”下面的第三張圖顯示了導電器件的電阻值，它改變了柵極上 MOSFET 的驅動電壓。圖表分析從 7V 電壓開始，因為較低的電壓值不允許器件導通。

　　更低的開關損耗

　　由于WBG半導體的導通電阻比硅和鍺更低，因此它們在傳導電流時散發的熱量更少。此外，由于其擊穿電壓較高，因此它們可以承受更高的電壓而不被損壞。高電壓和低電流允許創建更小、更高效的設備，這些設備需要更少的冷卻并消耗更少的能量。由于涉及高頻，電感元件也可以小得多。

　　如今，憑借 WBG 組件的革命性特性，電機驅動系統或一般功率器件控制脈寬調制 (PWM) 以改變負載功率。這種方法允許在電機中獲得高扭矩，并且在任何速度狀態下都非常高效。然而，它們受到不可避免的高頻開關損耗的影響，因為電子開關不是理想的元件，它們不具有無限速度的特征，并且具有雖然很小的輸入電容，這妨礙了完美和干凈的信號切換。一些研究的重點是了解這些損耗的根源和系統的開關頻率。

　　能量損失量取決于電氣圖的類型，并且與開關頻率直接相關。由于發生的邏輯變化事件數量較多，較高的開關頻率會自然地增加開關損耗。事實上，電子元件在某些點上不再能夠準確地“跟隨”開關。因此，選擇合適的開關頻率對于優化電源系統的整體效率非常重要。在圖 4 中，可以觀察開關損耗發生的時刻，即與柵極信號的上升沿和下降沿精確對應，柵極信號用于打開或關閉 MOSFET 的 DS 溝道。在邏輯電平切換后的瞬間，電壓，并且電流瞬變不是立即且突然的，因此在某些時刻，這些不為零的值會導致 MOSFET 功耗增加。此外，如上所述，損耗值隨著工作頻率的增加而增加，并且在 30 kHz 之后，根據所使用的模型，這些損耗可能是不可接受的。

　　從前面的段落可以看出，采用寬帶隙技術的半導體在可靠性、能源效率、功率密度和降低成本方面具有重要優勢。SiC和 GaN 組件非常適合汽車、交通、能源轉型和可再生能源領域等電力應用。

使用寬帶隙半導體，器件運行期間的損耗無疑會更少，從而實現更高效的性能和更好的能量轉換，同時散熱更少。通過大量使用它們，可以大大減少對環境的影響，實現能源可持續發展，同時也有助于減少溫室氣體排放。如果您對WBG半導體器件感興趣，或者需要了解更多相關應用信息，請收藏我們浮思特科技。在這里，您將第一時間獲取的最新資訊，與半導體科技的未來同行。