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)比硅半導體具有優勢。但是，使用這些寬帶半導體(寬禁帶)的設計人員面臨著現實生活中的挑戰。

    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的情況下，可以說這些改進的參數使寬禁帶半導體適合于高電壓，高開關頻率的應用，同時提高了功率密度和散熱。

    客戶需要更小，更低溫，更高效的產品。電源是一個充滿活力的市場，寬禁帶技術使設計人員能夠實現這些改進的設計目標。 寬禁帶半導體功率開關的主要優點包括高電流密度，更快的開關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級收益。在現實生活中的應用中，客戶可以實現高溫操作，并降低整個系統的尺寸并減輕重量。但是設計人員需要了解，使用寬禁帶技術進行設計需要在設計階段進行一些額外的工作。

    傳統的硅半導體僅限于幾百千赫茲的開關頻率，而SiC和GaN都可擴展到兆赫茲的范圍(圖1)。增加的開關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。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頻率的優點，例如較低的損耗和減小的尺寸，但是存在風險。更快的開關速度會導致更高的開關瞬變。例如，在基于GaN電源開關的最新功率轉換器設計中，開關時間比傳統系統快約10至20倍。更快的開關速度(典型值為5 ns)和高電壓軌(≥600V)導致瞬態電壓增加(≥120kV / μs);因此，隔離式柵極驅動器的共模瞬變抗擾性(CMTI)發揮著關鍵作用。

    用于信號完整性和閂鎖抗擾性的行業標準結隔離和光耦合柵極驅動器CMTI值低于要求的水平。電容耦合和變壓器耦合的柵極驅動器極大地提高了性能。最新的電容耦合解決方案規定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。

    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，企業和EV所有者)設計快速充電產品，并且每種產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動。適當的SiC柵極驅動器需要支持大功率MOSFET的快速開關時間以及較高的系統效率，并且需要在固有噪聲環境中保持穩健。

    實際上，這意味著柵極驅動器必須驅動高電流，并且必須具有低延遲和高抗擾性。精心的系統級設計將產生可靠，性能良好且緊湊的充電站。有人可能會認為，采用突破性技術的設計人員將需要在成本上做出妥協，但現實是，利用SiC的優勢將降低充電站的整體成本。

    至于GaN在現實應用中的擴展，無線充電是最熱門的領域之一。隨著無線充電成為手機越來越普遍的趨勢，GaN使工業客戶也可以利用該技術的優勢。在高頻下，GaN表現出比硅最明顯的優勢。硅用于較低功率的應用中，但是隨著應用需求擴展到數十瓦甚至什至千瓦，效率變得越來越重要。更高的開關頻率不僅可以提高效率，還可以提供其他優勢，客戶可以從中受益。以上就是SiC和GaN用于功率轉換的前景的分析，希望能給大家幫助。