宽禁带半导体技术综述

电力电子技术日新月异，宽禁带半导体(WBG)技术也越来越受欢迎。由于工作温度高、开关电压和频率更高，宽禁带半导体技术实际上正在取代所有老式的硅解决方案。宽禁带半导体无疑是未来电子技术的一场真正革命。其中最重要的产品，如碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)，凭借其优于传统硅基半导体的特性，正在为电子世界带来一场革命。

简介

宽禁带半导体正在覆盖整个电子市场，而在此之前，该市场一直由硅占据。SiC和GaN属于宽禁带半导体，与传统的硅半导体相比具有多项优势，而硅半导体的性能现已达到极限。它们的特点是价带和导带之间的差距特别大。禁带宽度大约是硅的三倍，因此可以达到更高的工作温度和更高的工作电压。

SiC和GaN MOSFET的一大优势在于器件导通时源极和漏极沟道之间的电阻值较低。该参数被定义为R_DS(ON)，是设计人员在数据手册中必须注意的首要值之一。该值(尤其是SiC器件)甚至比硅器件低一千倍。因此，与现有技术相比，新型WBG半导体材料有了明显的改进，其优势在于功率损耗更低、高温下的鲁棒性更高，并且可以在更高的开关频率和工作电压下工作。

这两种半导体都有应用，尤其是在电力电子领域。一般来说，GaN的速度比SiC快，因此开关速度更快。SiC的击穿电压更高，价格也略低。此外，它们采用非常普通的封装(如TO-220)，可以简单快速地替换现有项目。从图1中可以看出，从一般意义上讲，半导体是导电性介于导体和绝缘体之间的材料。

这种导电性可以通过对器件的某个触点施加电场来调节。SiC是最有前途的WBG半导体之一，具有更高的能效、更低的发热量、更长的使用寿命以及抗冲击和振动的能力。GaN的电子迁移率更高，更适合高频应用，因为其栅极电容非常低。另一方面，SiC具有更高的热导率，非常适合不需要高频开关的低频电路和大功率应用(例如汽车和太阳能)。不过，该系统仍主要在高压下工作。

图1：导体、半导体和绝缘体的禁带宽度。

应用

宽禁带半导体器件是电力电子应用的理想选择，但其在许多领域的用途都非常多样化。此外，SiC和GaN在制造高效紧凑型设备方面也非常有效。当今的主要应用领域之一是电动汽车领域，该领域专用于电动汽车和汽车充电基础设施，有时可提供数百千瓦的功率。与风能和太阳能等清洁能源生产相关的领域也是SiC和GaN器件的重点应用领域，其系统通常以巨大的功率(甚至兆瓦级)工作。

当然，铁路运输领域也不例外，如管理功率极大的发动机，以及控制机器人和自动化设备的工业自动化。更详细地说，宽禁带器件广泛应用于电源转换器、电机驱动、逆变器、LED照明系统、电源以及通信设备。SiC特别适合大功率应用，因为它能承受比硅高得多的高压。其特点是导热性高，功率损耗低。SiC器件还特别适用于输电系统、电动汽车、光伏系统和充电站。有了它们，就可以使车辆具有更长的续航里程，同时还能加快充电速度，降低对环境的影响。

可再生能源是一个重要的应用领域。例如，SiC转换器可用于太阳能和风能系统，以提高电力转换效率，增加可再生能源的产量。由于使用了高电压，因此可以减少电缆的截面和成本。由于WBG器件的开关频率比Si和Ge高得多，因此可以制造出更快、更精确的设备，但最重要的是，由于电感元件(电感和变压器)的尺寸可以更小，因此可以制造出体积更小的设备。

R_DS(ON)参数

SiC或GaN MOSFET最重要的参数之一是其导通过程中漏源沟道的电阻，定义为R_DS(ON)。在硅器件中，它与温度有很大的关系，而且其增加的幅度远远超过比例。SiC器件也存在这个问题，但程度要小得多。GaN器件在这方面也优于硅器件。这种半导体的R_DS(ON)值也明显降低。不仅在开关应用中，而且在静态应用中，WBG MOSFET的功率损耗都较低，可以在很高的电压和频率下工作。

因此，降低这一参数有助于大幅减少传导损耗。图2中的电路图是一个大电流通过大功率负载(R₁)的应用示例。在此示例中，以静态模式使用的SiC器件具有以下特性：

• 型号：UF3C065030K3S
• 漏源电压：650V
• 典型漏源导通电阻：27mΩ
• 连续漏极电流：85A
• 脉冲漏极电流：230A
• 功耗：441​​W
• 最大结温：175℃

在图中，栅极上的电压允许MOSFET向3Ω负载传到非常大的电流(约32A)。在电路稳定运行期间，可检测到以下功率：

• 发电机V₁产生的功率：3045.47W
• 负载R₁消耗的功率：3019.17W
• MOSFET M₁消耗的功率：26.30W

与MOSFET栅极有关的功率与此无关，因为它们的量级仅为微瓦。知道了器件漏极上的电压和流过负载的电流，就可以非常轻松地计算出R_DS(ON)值，如下所示：

新计算出的R_DS(ON)值证实了器件官方数据手册上发布的数据，并且在各种工作条件下都相当稳定和恒定。

图2：承载极大电流的大功率负载。

现在，分析和观察R_DS(ON)随各种参数变化而产生的变化是非常有吸引力的。图3中的图表突出显示了该参数随其他值变化而变化的趋势，特别是：

• 最上面的第一张图“R_DS(ON)与温度的关系”显示了在相同负载下，结温在-20℃和+180℃之间变化时器件的导通电阻值。可以看出，该电阻值极低。
• 中间的第二张图“R_DS(ON)与漏极电流的关系”显示了在0℃、70℃和140℃温度下，改变MOSFET漏极电流时器件的导通电阻值。在这种情况下，有关数值非常稳定。
• 下面的第三幅图“R_DS(ON)与栅源电压的关系”显示了在改变MOSFET栅极驱动电压时器件的导通电阻值。该图的分析从7V电压开始，因为较低的电压值无法使器件导通。

图3：R_DS(ON)与温度、漏极电流和栅极电压的关系表征。

更低的开关损耗

由于WBG半导体的导通电阻低于硅和锗，因此它们在传导电流时散热较少。此外，由于击穿电压更高，它们可以承受更高的电压而不会损坏。高电压和小电流可以制造出更小、更高效的设备，从而减少冷却和能耗。由于涉及高频率，电感元件也可以小得多。

如今，凭借WBG器件的革命性特点，电机驱动系统或一般的电源设备都可以通过脉宽调制(PWM)的方式来改变负载上的功率。这种方法可以在电机中获得高扭矩，并且在任何速度条件下都非常高效。然而，这些方法不可避免地会受到高频开关损耗的影响，因为电子开关不是理想器件，它们的特点是速度不是无限的，而且具有很小的输入电容，无法实现完美和干净的信号切换。一些研究侧重于了解这些损耗的来源和系统的开关频率。

损耗的能量取决于电路图的类型，并与开关频率直接相关。开关频率越高，开关损耗越大，这是很自然的，因为逻辑变化事件的数量会增加。事实上，电子器件从某些点开始就不再能准确地“跟踪”开关。因此，选择合适的开关频率对于优化电源系统的整体效率非常重要。从图4中可以观察到开关损耗发生的时刻，即与栅极信号(用于打开或关闭MOSFET的DS沟道)的上升沿和下降沿精确对应的时刻。在逻辑电平切换后的瞬间，电压和电流瞬变并不是立即和突然发生的，因此在某些时刻，这些不为零的值会导致MOSFET的耗散功率增加。此外，如上所述，损耗值会随着工作频率的增加而增加，并且在30kHz之后，根据所使用的模型，这些损耗可能会达到不可接受的程度。

图4：开关损耗发生在栅极信号的下降沿和上升沿，并随着频率的增加而增加。

结语

从以上段落可以推断，采用WBG技术的半导体在可靠性、能效、功率密度和降低成本方面具有重要优势。SiC和GaN器件是电源应用的理想选择，如汽车、交通、电源转换和可再生能源领域。使用WBG半导体，无疑可以减少设备运行过程中的损耗，从而实现更高效的性能和更好的电源转换，同时减少散热。随着它们的大量使用，对环境的影响大大降低，从而实现能源的可持续发展，因为它们还有助于减少温室气体排放。

（原文刊登于EE Times姊妹网站Power Electronics News，参考链接：Wide Bandgap (WBG) Semiconductors，由Franklin Zhao编译。）

本文为《电子工程专辑》2024年12月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里。