當(dāng)今和未來的電力電子寬禁帶材料

今天，我們正處于電力電子新時代的早期階段，該時代將塑造未來幾十年。具有電池供電或混合動力發(fā)動機(jī)的電動汽車需求量很大，最終將取代汽油和柴油汽車。這些車輛從交流電網(wǎng)連接中獲取能量，在這種情況下，車載充電器為車輛電池充電，或從快速外部直流充電器充電，在充電期間直接連接到車輛電池。由于從能源的角度或從環(huán)境的角度來看，用燃煤發(fā)電站的電力為車輛提供動力是沒有意義的，因此對太陽能和風(fēng)能的需求正在快速增長，同時儲能系統(tǒng)也在儲存能量以備不時之需。因此，電動汽車、車載充電器、電動汽車充電站、太陽能、風(fēng)能和儲能系統(tǒng)的市場正在快速增長。

電力電子市場快速增長的一個例子

電力電子快速增長的另一個領(lǐng)域是數(shù)據(jù)中心使用的組件，這是由于云計(jì)算、人工智能和在線互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的使用增加。不間斷電源為這些數(shù)據(jù)中心提供可靠的電力。數(shù)據(jù)中心電子設(shè)備中的電路板包含許多板載電源，可將主輸入電壓轉(zhuǎn)換為 48 V，然后轉(zhuǎn)換為用于驅(qū)動數(shù)據(jù)中心中的處理器、FPGA 和存儲器的低電壓。

這些新應(yīng)用需要高效率和高功率密度。車載 EV 充電器不應(yīng)占用太多車內(nèi)空間。車載充電器的新發(fā)展允許相同的空間，但必須提供雙倍的功率。公用事業(yè)規(guī)模太陽能農(nóng)場中使用的太陽能逆變器是使用模塊化單元建造的，可以由兩個人移動。在不增加重量的情況下增加該單元的功率是太陽能逆變器的主要發(fā)展趨勢。最后，在電池供電的車輛中，更高的效率會轉(zhuǎn)化為更長的續(xù)航里程。更高的功率密度意味著更輕的車輛，這也將導(dǎo)致更長的行駛里程以及車輛設(shè)計(jì)的更大靈活性。

在這些應(yīng)用中，硅功率半導(dǎo)體正被碳化硅和氮化鎵功率開關(guān)所取代。SiC 和 GaN 是寬帶隙材料，與傳統(tǒng)的硅基功率開關(guān)（例如 IGBT 或硅 MOSFET）相比，它們允許功率開關(guān)在更高的溫度、更高的頻率和更高的電壓下工作。

雖然它們經(jīng)常一起被提及，但 SiC 和 GaN 之間存在一些重要差異，從而導(dǎo)致不同的使用領(lǐng)域。

對于給定的 R DS（on）和擊穿電壓，與 SiC 器件相比，GaN 器件具有更低的總電容。然而，與GaN相比，SiC具有更好的導(dǎo)熱性和更平坦的溫度系數(shù)，使得SiC在大功率和高溫應(yīng)用中更受歡迎。SiC 在需要 650 V 或更高設(shè)備的應(yīng)用中找到了自己的方法，而 GaN 在 100 V 和 650 V 之間的應(yīng)用中找到了自己的方法。額定擊穿電壓約為 100 V 的 GaN 設(shè)備用于中壓功率轉(zhuǎn)換48 V 降至更低電壓。該電壓范圍適用于隔離總線轉(zhuǎn)換器的云計(jì)算和電信基礎(chǔ)設(shè)施。此外，用于云計(jì)算和 USB PD 應(yīng)用的 AC/DC 電源將包含 650V GaN 電源開關(guān)，這是 AC/DC 轉(zhuǎn)換的正確額定電壓，具有 90 VAC 至 265 VAC 的通用輸入電壓范圍。GaN 的高頻率使得電源的無源元件可以小得多，從而形成極其緊湊的整體解決方案。

寬帶隙應(yīng)用

相比之下，碳化硅器件專為 650 V 及更高電壓而設(shè)計(jì)。SiC 在 1，200 V 及更高電壓下成為各種應(yīng)用的最佳解決方案。從長遠(yuǎn)來看，太陽能逆變器、電動汽車充電器和工業(yè) AC/DC 轉(zhuǎn)換等應(yīng)用都將遷移到 SiC。

前面提到的新市場將推動新市場。對交流中壓電網(wǎng)電壓的高效功率轉(zhuǎn)換有著強(qiáng)烈的需求。碳化硅在固態(tài)變壓器方面具有廣闊的前景，其中目前的銅磁變壓器被半導(dǎo)體取代，從而提高效率，減少諧波，增強(qiáng)電網(wǎng)穩(wěn)定性。電力電子領(lǐng)域的下一場革命已經(jīng)來臨。嶄露頭角的 SiC 和 GaN 將有助于使電力電子的未來變得更高效、更緊湊，適用于各種應(yīng)用。