SiC和GaN：电力电子效率的革新

目前，在电力电子半导体领域，碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)这两种宽禁带(WBG)材料正逐渐成为主流选择。这些材料因其适用于先进的电力电子技术而备受青睐，其应用范围正在不断扩大。它们在处理高温、高压和高开关频率方面表现出色，克服了传统硅材料的局限性，从而能够构建更高效、更紧凑的器件。向SiC和GaN的过渡标志着能源利用率的显著提升，尤其是在电动汽车等先进应用中表现得尤为明显。

引言

宽禁带半导体正在逐步取代许多已过时的传统硅基器件。有必要验证这两种新型半导体是否能够提供相同的长期安全保障。事实上，SiC和GaN尚未完全成熟，但当前的研究正在改进材料质量、器件设计和封装技术，从而提高器件的鲁棒性和平均寿命。

SiC和GaN等宽禁带半导体性能卓越：能量损耗更低、耐热性更强，并且能够在恶劣环境下工作。与传统的硅基MOSFET相比，宽禁带器件能够以更高的速度和更小的空间运行，使其成为高功率应用的理想选择，并能缩短电池充电时间。尽管成本较高，但SiC因其可靠性、电阻以及TO-220和TO-247等标准封装的可用性而备受青睐。

相比之下，GaN虽然开关速度更快，但存在电压限制和可靠性问题，而且只能采用表贴封装，在工业设计中用途不广。这类器件对于电源逆变器、音频放大器和桥式电路至关重要，尤其是在电动汽车领域。基于SiC的逆变器可以提高能效、减少废热并延长电动汽车的续航里程。SiC和GaN器件的栅极驱动器设计仍然是一项挑战，需要高栅极电压和精确的监控来优化开关时间。如今，这些材料的使用代表了现代电子技术的关键一步，使更鲁棒、更高效的系统得以实现，其应用范围涵盖从交通运输到军事工业，从无线充电到几乎零维的功率转换器(见图1)。

SiC器件在电力系统中的应用呈指数级增长，涉及领域广泛，其中尤以汽车领域最为突出。SiC器件的主要问题之一是栅极氧化层会随着使用时间的延长而变薄。这一缺陷可能直接导致严重的器件故障。SiC和GaN器件的采用将继续推动电力系统的创新和优化。总体而言，SiC和GaN器件具有以下优势：

• 可在更高的开关频率下工作；
• 提供更低的功率和开关损耗；
• 可承受更高的工作温度；
• 极其鲁棒，不易烧坏。

这些只是使用宽禁带器件的部分优势，实际上还有更多优点。其他优势包括更高的热导率，这使得能在相同的横截面积上实现更高的电流密度，以及在高温下的漏电流更低。宽禁带材料即使在高温下也能高效工作，开关速度快，能量损耗极小，使其成为军事和工业等领域的理想选择。然而，在现有技术和器件之间做出选择并非易事，而且所涉及的市场也十分广阔。

它们通常用于大功率桥式电路，例如逆变器、D类音频放大器和其他类似应用中使用的电路。抗短路瞬变和过压的能力是这些解决方案可靠性的关键因素。减少能量转换过程中的损耗可以提高系统效率。与传统硅相比，SiC和GaN器件具有优异的导热性和高开关频率，因此功率损耗更低，产生的热量也更少。这直接有助于提升电动汽车的续航里程。其中，栅极驱动器是一个关键部件，它是控制器和功率器件之间的接口。

图1：采用GaN HEMT晶体管和SiC二极管的“升压PFC转换器”电路

宽禁带电子器件

最早的SiC器件是简单的二极管，但随着材料技术的进步，制造商能够制造JFET和MOSFET。宽禁带器件的主要优势在于其开关速度快和耐高温(＞200℃)，从而可以大幅减小尺寸并提高系统效率。可以说，功率转换器可以实现95%的效率，同时具有高功率密度和显著的空间节省效果。由于成本和可靠性问题，GaN的普及速度较慢。它可以实现比SiC更高的开关速度，但功率密度有限。

另一方面，SiC能够承受电压雪崩条件，尤其是在电感负载下。其封装形式非常常见，包括TO-247和TO-220，这使得它们可以直接替代现有的MOSFET和IGBT。SiC MOSFET已经取代了硅IGBT，用于太阳能逆变器和电池充电器等电源应用。SiC MOSFET具有更严格的短路保护要求，并且需要可靠的保护电路(见图2)。然而，对于设计人员来说，使用SiC和GaN器件的最佳方法是充分了解器件的特性及其对电路设计的影响。因此，仔细研究制造商的数据手册至关重要。SiC MOSFET的芯片面积较小，这进一步降低了寄生电容并提高了开关速度，但另一方面，散热能力较低。在短路情况下，峰值电流会使芯片显著发热。

图2：一些短路保护电路(来源：德州仪器)

通过改用GaN MOSFET，设计人员正在寻找实现更高系统效率和更高功率密度的方法。并联使用器件时，它们的导通电阻R_DS(ON)应尽可能接近，以确保静态电流在MOSFET之间均匀分配。此外，在动态条件下，不同的栅极阈值和PCB阻抗甚至可能导致器件损坏。

为了最佳地测试这些可能性，设计人员可以使用包含两个、四个或八个并联器件的评估板。理想情况下，这些器件应为相同型号。可以在评估板上添加外部电感器，为系统引入电感特性，并且这些评估板可用于降压和升压测试，支持极高电流和功率的应用。凭借良好的电子配置和栅极驱动器，GaN器件可以相对轻松地并联使用。最大的挑战在于大功率和高开关频率，这是以前硅技术无法实现的新可能性。此外，通过设计良好的PCB布局，采用特殊电感器并在MOSFET之间实现良好的电流平衡，可以最大限度地减少破坏性振荡。

结语

为了满足日益严格的效率和功率密度要求，设计人员可以依赖最先进的宽禁带半导体，例如SiC和GaN。这些创新材料具有独特的优势，包括更高的开关频率、更低的能量损耗、更高的工作温度和更强的鲁棒性。尤其是碳化硅MOSFET，与传统的硅器件相比，它取得了显著的进步，改善了关键的开关参数。由于能够在更高的频率下工作并且尺寸更小，GaN器件非常适合高效应用和紧凑型系统，例如快速充电器和转换器。它们的低栅极电容和低导通电阻R_DS(ON)使其成为高性能系统的首选，可满足先进和商业应用的需求。

（原文刊登于EE Times姊妹网站Power Electronics News，参考链接：SiC and GaN: Transforming Efficiency in Power Electronics，由Franklin Zhao编译。）

本文为《电子工程专辑》2025年5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。