碳化硅(SIC)和氮化鎵(GaN)是兩種在各種功率電子應用中最成功的寬禁帶材料。它們較高的禁帶寬度使其在關鍵電場方面相比硅(Si)提高了10倍以上。

　　這些以及其他材料優勢，帶來了比硅在功率轉換方面的許多關鍵改進，如更快的開關速度、更低的損耗、更好的高溫性能(SiC)、更高的功率密度以及在轉換器設計中實現更簡單的拓撲結構。圖1展示了SiC和GaN功率電子器件在以下應用中的使用：

圖1

　　具有太陽能和風能農場的電網級能源生成和儲存。

　　電動汽車(EV)和火車的運輸以及充電基礎設施。

　　高效電動家用熱泵。

　　電信和數據中心的電源。

　　工業應用如UPS和電機驅動的功率轉換器。

　　消費終端用戶的充電器/適配器、住宅微型逆變器和電池儲能系統。

　　讓我們更詳細地看一下這些示例中的一些。

　　太陽能和風能發電

　　預計光伏(PV)裝機容量將在2020-2021年間增加22%。許多國家為實現2030年和2050年的氣候變化目標而努力，加上與化石燃料生產相比具有成本優勢，導致預計到2030年PV裝機容量的復合年增長率(CAGR)將達到25%，總增加容量為4200吉瓦。如圖2中所示，對于100千瓦太陽能逆變器示例，2008年使用硅功率器件實現的重力功率密度為0.09千瓦/千克。使用SiC在2018年將其提高到1.6千瓦/千克，而2022年使用最新的2千伏SiC器件進一步提高到超過3千瓦/千克。更小、更高效的系統也使得安裝更容易，無論是用于太陽能農場的大型串式逆變器還是用于住宅應用的微型逆變器。

圖2

　　橫向GaN HEMT器件通常額定電壓在650V以下。它們的采用速度比SiC MOSFETs慢，尤其是在移動充電器應用領域之外。預期隨著設計師和客戶對充分利用GaN能力的新拓撲結構越來越熟悉，其增長將加速。

如圖3所示的一個示例利用了HEMT器件本質上雙向柵極控制電流流動的特性，其缺乏p-body(需要進行修改，如雙柵極以實現雙向電壓阻斷能力)。這使得可以使用單級太陽能逆變器，而不是傳統使用DC/DC前端后接DC/AC轉換器的兩級逆變器。多級轉換器使用占據顯著體積和重量的被動元件進行解耦。基于四象限開關的交流-交流切換使用環流轉換器可以降低損耗，提高功率密度，并減少系統復雜性和成本。預計這種基于GaN的逆變器將在2030年前在住宅太陽能市場中發揮重要作用。

圖3

　　電動汽車(EV)

　　SiC基系統在電動汽車牽引逆變器領域得到了廣泛接受，因其高溫和高功率需求適合SiC的能力，與Si IGBTs相比效率顯著提高。這可以轉化為10-12%的車輛續航里程提高。SiC MOSFETs顯著改進的輕載性能可以補充Si IGBTs在高載/高速和成本優勢上的表現，從而形成混合系統。額定1200V及以上的SiC MOSFETs適合未來計劃的支持快速充電的800V電池系統。如今，SiC功率器件市場的絕大多數增長由汽車使用推動，預計這一趨勢將繼續。

　　電動汽車車載充電器展示了一個有趣的例子，預計到2030年基于GaN的轉換器將取代SiC充電器。其低寄生損耗和更高頻率的開關能力轉化為系統級的功率密度和/或效率改進。如圖2所示，雖然SiC將這一11-22千瓦、400V系統的體積功率密度從2千瓦/升提高到4千瓦/升，GaN則可以將其提高到超過6千瓦/升。

　　住宅能源儲存

　　能源儲存與可再生能源發電同等重要。這些系統需要雙向且高效。基于Infineon的CoolSiC? MOSFET的650V系統如圖4所示，可以在更高頻率下運行，并具有更小的損耗，從而使磁性元件更小。因此，與基于硅的轉換器相比，其尺寸、重量和效率得到了改善。

圖4

　　移動充電器

　　在移動充電器市場中，GaN HEMT基轉換器因其較高的開關頻率和低損耗在各種指標上遠優于硅基同行。這包括更高的功率密度，從而實現更小的外形尺寸和更簡單的拓撲結構。圖5中突出了一個例子。

圖5

　　如圖所示，Infineon與Anker合作制造的適配器/充電器包括一個混合反激(HFB)轉換器，一個集成功率級(IPS，包括一個門極驅動器和兩個GaN開關)，以及一個次級同步整流器(SR)和負載開關。與優化的控制器和軟件算法配對，使用GaN相比硅實現了尺寸減少53%和損耗降低21%。

　　總而言之，為了實現2050/2060年的凈零碳排放目標，所有與能源相關的行業都需要實現減碳。這包括可再生能源的發電、分配、儲存以及住宅、工業和交通運輸部門的電氣化。基于SiC和GaN寬禁帶半導體的功率電子正在推動這些行業的轉型。預計SiC和GaN功率器件在可預見的未來的復合年增長率將超過25%。

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