通常，人們會忽視柵極驅動器在優化功率晶體管整體運行方面的作用，就好像 SIC MOSFET 或 GaN HEMT 是獨立元件一樣。意法半導體的電隔離 STGAPx 系列是針對 WBG 優化的柵極驅動器的一個很好的例子。

　　共源共柵配置中的常開 GaN HEMT 通常被視為實現具有常關行為的開關的最短途徑。實際上，共源共柵配置中的 GaN 具有固有常關晶體管的特定特性，從而具有獨特的性能和更安全的操作模式，正如 Nexperia GaN 國際產品營銷經理 Ilian Bonov 在演講中所展示的那樣。

　　第三個值得探索的方面是主流汽車生態系統之外的智能電網中 SiC MOSFET 的使用，SiC 市場的增長主要由汽車應用推動，例如牽引逆變器和電池充電器，但考慮到大量部署需要無處不在且耗電的充電站的電動汽車，全向電網中使用的超高壓 (HV) SiC MOSFET 可以帶來顯著的節省。

　　WBG 功率半導體市場概況

　　Prabhu 指出，WBG 半導體市場總額將從 2022 年的 29.2 億美元躍升至 2032 年的 288.8 億美元。就市場增長而言，WBG 產品在 2022 年至 2027 年的五年內將實現 35.2% 的復合平均增長率，超過任何其他半導體系列的增長率。這一驚人增長的關鍵驅動因素包括電動汽車采用 400V 至 800V 電池系統的功率器件，以及對更高效轉換器的需求，以滿足 5G 基站、充電器和其他工業應用的需求。

　　總體而言，WBG 器件有助于減少碳足跡，因為它可以降低成本并提高各種能源轉換器的效率，使其更受歡迎、更實惠且更易于大規模部署。它們還可用于生產綠色氫氣，這種氫氣的供應幾乎是無限的，但生產仍然耗能，更不用說在轉換器和逆變器中使用 GaN 和 SiC 代替硅可以節省大量二氧化碳。

　　電動汽車確實是市場增長的主要推動力，但仍存在一些問題，例如電池組件和發動機的材料供應、地緣政治緊張局勢以及明智地向可再生能源過渡，用于為越來越多的充電站供電。其他機會是利用具有吸引力且與電氣化互補的寬帶隙半導體。這些包括太陽能逆變器、風力發電場、智能電網、UPS(存儲系統)和數據中心，隨著我們聯系越來越緊密，人工智能的使用越來越廣泛，這些領域的數量也在不斷增長。

　　進一步改進 WBG 產品仍存在一些問題和挑戰。目前，大多數 SiC MOSFET 都是采用平面技術制造的，而溝槽是一種提高產品性能的選擇，可以縮小芯片尺寸、降低傳導損耗并提高成本競爭力。但即使功率半導體制造商多年來一直掌握硅溝槽技術，考慮到最終材料具有不同的晶體結構和物理特性，將其應用于 SiC 技術也并非簡單的移植。減少晶圓基板的內置缺陷以提高制造良率也需要額外的努力。

　　GaN晶體管已在8英寸上量產，電壓約為650V，具有橫向結構，這限制了電壓能力和電流密度的擴展。垂直GaN仍僅限于實驗室試驗和使用高成本同質外延(GaN-on-GaN)的小晶圓尺寸。

　　效率的提高還意味著更好的冷卻技術，例如雙面冷卻和硅通孔，以及用于基板和芯片框架的新材料。用于將封裝連接到散熱器(而不僅僅是將芯片連接到框架)的銀和銅燒結方法也有利于改善散熱，因為熱接觸更好。

　　WBG 柵極驅動器

　　柵極驅動器是重要的 IC，因為它們提供和吸收足夠的電流以有效驅動功率器件，同時確保在故障條件下安全運行。STGAx (STGAP) 系列柵極驅動器適用于隔離拓撲中使用的 SiC 和 GaN 晶體管，基于電流變壓器式絕緣 (6.4 kVpk)，可驅動高達 1.5 kV 電壓軌的電源開關。圖 1 顯示了基本概念。符合 AEC-Q100 標準的 STGAP4S 嵌入反激式控制器以生成隔離軌，以實現正確的 SiC 驅動。串行外設接口可用于參數編程和擴展診斷類去飽和檢測、過流檢測、輸入去尖峰濾波器、每個電源上的欠壓鎖定和過壓鎖定以及可編程死區時間。

　　米勒鉗位引腳是柵極驅動器的一項重要功能，因為它可以避免橋式拓撲中因換向尖峰而導致的寄生晶體管導通。當以半橋配置驅動功率器件時，由于漏極和柵極之間的電容耦合，即使驅動器保持關閉狀態，柵極源電壓 (Vgs) 也可能達到閾值水平，并導致擊穿 (交叉傳導) 的災難性故障。通過使用米勒鉗位輸出，存在低阻抗路徑，以確保 V gs在開關階段不會增加。SiC MOSFET 的閾值電壓較低，更容易受到這種現象的影響。

　　共源共柵 GaN FET

　　Cascode GaN 是在同一封裝中組合兩個元件以實現常關開關：常開(耗盡模式或 d 模式)650 V GaN HEMT與 30 V 硅 MOSFET 串聯。外部端子是 MOSFET 的柵極 (G)，也是 Cascode 的柵極;HEMT 的漏極 (D);以及 MOSFET 的源極 (S)，內部連接到 HEMT 的柵極。主要特點是高飽和電流(因為 GaN 電子遷移率高)、堅固的柵極(±20 V)、易于驅動(0 至 12 V，閾值為 4 V)和反向傳導模式下的低損耗。

　　如圖 2 所示，Nexperia 的共源共柵 GaN 在 6 V 以上完全導通，I d與 V gs曲線在 25°C 和 150°C 之間變化不大，保證在兩個極端溫度下性能始終一致。與兩種競爭器件相比，柵極電壓變化 2 V 不會影響器件性能。競爭對手的常閉 GaN 器件在 25°C 和 150°C 之間表現出較大的電流間隙。溫度越高，電子遷移率越低。反向傳導損耗對共源共柵更有利，因為 MOSFET 的二極管具有電壓降 V f在 20 A 時僅為 1.4 V，而 SiC MOSFET 和 e-mode GaN 分別為 5 V 和 4.6 V。反向傳導發生在死區時間期間，如果設計人員使用 GaN 共源共柵，則不必將死區時間保持在盡可能短的范圍內以減少此類損失。

　　為了充分利用 GaN 共源共柵開關的潛在特性，需要采用適當的封裝，以降低內部電感、降低熱阻并提高板級可靠性。CCPAK1212 (12 × 12 mm 2 ) 具有底部和頂部冷卻版本，并采用銅夾安裝，是最佳選擇。Nexperia 聲稱其寄生電感為 1.27 nH，而采用 SiC MOSFET 的 TOLL 封裝的寄生電感為 2 nH，這意味著其頻率更高。在 400 V 至 230 V 的硬開關 DC/DC 轉換器中，以 100 kHz 的頻率運行并使用頂部 650 V 開關，無需 PCB 即可達到最大 6 kW，在整個功率范圍內可實現 98% 以上的效率(2 kW 時為 99%)。

　　全向網格

　　全向電網是一個新概念，其核心是將能源和電力從采集點智能高效地輸送到消耗點。換句話說，正如 Microchip 的 Speer 所說，我們需要隨時隨地為任何人提供電力。在這一努力中，1,700 V 至 3.3 kV 的高壓 SiC 產品將發揮關鍵作用。雖然在能源消耗(電動汽車、充電站等)時，650 V 和 1,200 V SiC 在效率和功率密度方面的優勢得到了充分發揮，但考慮到完整的能源生命周期，SiC MOSFET 和二極管有什么作用呢?如圖 3 所示?中間的區塊呢?

　　火力發電廠燃燒燃料發電效率極低，當電力到達消耗點時，大約三分之二的原始能量在轉換過程中損失。例如，天然氣發電廠的效率為 44%，這意味著天然氣中儲存的能量有 56% 被損失，而 44% 的能量被轉換成電能。除此之外，長距離傳輸、調節和配電還會造成額外的電力損失—— 根據美國能源信息署 (645 GWh) 的數據，美國平均損失約 5% ——這加劇了電網固有的低效率。

　　美國在 2021 年消耗了 4 TWh 的電力，到 2050 年，電動汽車充電將額外增加 2 TWh 的年度需求，因此電網和能源的負擔將非常沉重。因此，有必要提高輸配電效率，擺脫單向電網，單向電網的主要缺點是電壓和頻率不同、難以控制電力流方向以及低壓 (LV) 轉換器效率低下。全向電網所要做的就是在需要時提供適量的能量;也就是說，具有靈活性和更大的自由度。因此，解決方案是在變電站內采用電力電子設備，以便于集成分布式能源資源、提高轉換效率，并為進一步的電網發展和新架構實施創造適當的條件。當然，變電站級電壓如此之高，以至于只有 SiC 產品才能以不打折扣的效率和減小的轉換器尺寸進行部署。額定電壓為 3.3 kV 的 SiC MOSFET 和肖特基二極管還將簡化整個系統，包括傳感、控制、驅動器和減少的元件數量。

　　HV SiC 產品使用模塊化多級轉換器，這是一種用于中壓 (MV) 和高壓直流轉換的電力電子轉換器，由多個(多達數百或數千個)串聯的低壓額定子模塊組成。這種拓撲結構可產生多個輸出電壓水平，從而減少電池數量(電壓越高，電池數量越少)、提高電能質量、降低故障點和降低擁有成本。使用 10,000-V SiC 開關，模塊數量大幅減少 - 低于 100 個。

　　為了實現全向電網，當今的 SiC 技術使我們能夠用固態變壓器 (SST) 取代笨重的傳統變壓器，從而將中壓轉換為低壓(用于為負載供電)，從而提高效率、功率密度和電能質量。在優化全向電網方面，我們有可能領先一步，這涉及用 SST 取代 AC/AC HV-MV 傳統變壓器，但需要進一步開發 SiC 技術。

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