SiC和GaN用于功率转换的未来

碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）半导体在功率应用方面（特别是在电源市场中）比硅半导体具有优势。但是，使用这些宽带半导体（宽禁带）的设计人员面临着现实生活中的挑战。

尽管硅半导体将保持多年主流地位，但在某些应用中，客户可以利用宽禁带半导体的特性，包括改善的带隙（eV），击穿场（MV / cm），热导率（W / cm-K），电子迁移率（cm2 / Vs）和电子漂移速度（107 cm / s）。在不涉及半导体物理细节的情况下，可以说这些改进的参数使宽禁带半导体适合于高电压，高开关频率的应用，同时提高了功率密度和散热。

客户需要更小，更低温，更高效的产品。电源是一个充满活力的市场，宽禁带技术使设计人员能够实现这些改进的设计目标。 宽禁带半导体功率开关的主要优点包括高电流密度，更快的开关速度和更低的漏源导通电阻（RDS（on））。从终端客户的角度来看，这些设备性能的提高可带来重大的系统级收益。在现实生活中的应用中，客户可以实现高温操作，并降低整个系统的尺寸并减轻重量。但是设计人员需要了解，使用宽禁带技术进行设计需要在设计阶段进行一些额外的工作。

传统的硅半导体仅限于几百千赫兹的开关频率，而SiC和GaN都可扩展到兆赫兹的范围（图1）。增加的开关频率允许在设计中使用较小的磁性元件，但同时也带来了电磁干扰（EMI）的挑战。这只是设计师需要谨慎的一个例子。

更小，更低温，效率更高

增加开关频率是设计人员可用的最佳工具之一。虽然非常期望增加开关频率的优点，例如较低的损耗和减小的尺寸，但是存在风险。更快的开关速度会导致更高的开关瞬变。例如，在基于GaN电源开关的最新功率转换器设计中，开关时间比传统系统快约10至20倍。更快的开关速度（典型值为5 ns）和高电压轨（≥600V）导致瞬态电压增加（≥120kV / µs）；因此，隔离式栅极驱动器的共模瞬变抗扰性（CMTI）发挥着关键作用。

用于信号完整性和闩锁抗扰性的行业标准结隔离和光耦合栅极驱动器CMTI值低于要求的水平。电容耦合和变压器耦合的栅极驱动器极大地提高了性能。最新的电容耦合解决方案规定CMTI的信号完整性高达200 kV / µs，闩锁抗扰度高达400 kV / µs，这使其最适合当今设计的高频系统。

真实世界的应用程序

让我们考虑一下SiC和GaN在某些实际应用中的优势。电动汽车（EV）车外充电是最有趣和增长最快的应用之一，其中包括快速充电器和充电站的市场。 SiC确实可以在此应用中增加价值。

工程师可能正在为各种客户群体（例如市政当局，企业和EV所有者）设计快速充电产品，并且每种产品的设计目标都略有不同。这并不是一个详尽的清单，但是一些最重要的目标是可靠性，小尺寸，轻巧和高效，同时将充电时间保持在30分钟或更短。 SiC器件可以帮助实现所有这些目标。

除了上述功率级之外，设计人员还必须选择合适的器件进行栅极驱动。适当的SiC栅极驱动器需要支持大功率MOSFET的快速开关时间以及较高的系统效率，并且需要在固有噪声环境中保持稳健。

实际上，这意味着栅极驱动器必须驱动高电流，并且必须具有低延迟和高抗扰性。精心的系统级设计将产生可靠，性能良好且紧凑的充电站。有人可能会认为，采用突破性技术的设计人员将需要在成本上做出妥协，但现实是，利用SiC的优势将降低充电站的整体成本。

至于GaN在现实应用中的扩展，无线充电是最热门的领域之一。随着无线充电成为手机越来越普遍的趋势，GaN使工业客户也可以利用该技术的优势。在高频下，GaN表现出比硅最明显的优势。硅用于较低功率的应用中，但是随着应用需求扩展到数十瓦甚至什至千瓦，效率变得越来越重要。更高的开关频率不仅可以提高效率，还可以提供其他优势，客户可以从中受益。

本文编译自powerelectronicsnews。