宽禁带半导体有什么好处（宽禁带半导体器件研究现状与展望）

介绍

随着世界对能源生产和消费越来越重视，可再生能源解决方案成为大家关注的焦点。与气候变化相关的挑战，例如更加频繁的极端天气事件，正在迫使整个社会重新思考其与化石燃料的关系。

为了实现净零排放，该行业将目光投向可再生能源，并取得了一些进展。国际能源署（IEA）发布的报告显示，2020年第一季度，可再生能源发电占全球发电总量的28%，同比增长2%。尽管冠状病毒大流行扰乱了供应链并搁置了一些项目，但对光伏和风电等可再生能源发电项目的需求仍在持续增长。

工程师利用最新的宽带隙技术最大限度地提高海上和陆上风电场、太阳能电池板和潮汐能的发电量

当然，利用可再生能源的挑战之一是发电侧和需求侧的不匹配。储能系统在填补这一空白方面发挥着越来越重要的作用，其应用范围广泛，包括新能源并网解决方案和家用电池能量墙等。此外，随着道路上的电动汽车数量不断增加，它们在整体能源结构中的比重变得越来越重要。车载充电机正在快速朝着双向充电技术演进路径发展，让电动汽车能够弥补电网供电的不足，甚至在完全停电的情况下为住宅提供电力。

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宽带隙技术

对可再生能源的发展至关重要

几十年来，以MOSFET和IGBT为代表的硅技术一直是功率逆变器的主要开关解决方案。自推出以来，这两种器件的设计目的是减少转换器中的开关损耗，以创建更高效的电源转换拓扑。这种方法可以说是成功的，转换器通常可以实现超过95% 的峰值效率，功率因数校正设计可以达到98% 的效率。虽然这令人印象深刻，但请记住，小型光伏解决方案或双向车载充电器中1% 的效率损失可能会使功耗增加500 瓦至3,000 千瓦。因此有必要想办法避免这些电源的损耗。

近年来，宽带隙（WBG）技术开始崭露头角，生产碳化硅（SiC）MOSFET和氮化镓（GaN）晶体管的供应商数量稳步增长。但出于多种原因，设计工程师也对使用宽带隙技术犹豫不决。

尽管目前的宽带隙半导体器件仍然比硅器件贵，但差距正在逐年缩小。也许影响宽带隙半导体产品应用的更大障碍是相关的学习曲线。 WBG 开关不仅是硅开关的替代品，其功能也与硅开关不同。为了充分发挥性能优势，电源转换器需要重新设计以在更高的开关频率下工作，这给集成电路设计和满足电磁兼容性/电磁干扰（EMC/EMI）要求带来了挑战。一系列新的挑战。

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SiC和IGBT技术在风力发电中的应用

SiC MOSFET 被认为是当前IGBT 设计的最佳替代品。 IGBT适用于千伏以上的应用，是大功率光伏逆变器和风力发电机的核心部件，为这些应用提供中速开关。然而，热管理问题给最终应用带来了挑战，增加了产品的尺寸和重量。在类似的测试条件下工作时，SiC MOSFET 在25 摄氏度下比IGBT 具有更低的导通损耗和开关损耗，并且这种损耗随着温度的升高而降低。

SiC MOSFET的关断损耗也较低，虽然在工作温度升高时会略有增加，但与IGBT中少数载流子积累引起的尾电流相比有所改善。导通电阻特性也得到了改善，随着工作温度的升高，功率损耗仅略有增加。由于较低的开通损耗、关断损耗和传导损耗，SiC MOSFET的功耗通常可比同等IGBT器件低60%以上。因此，在这种情况下，英飞凌的CoolSiC Trench MOSFET FF6MR12KMIP 等器件适合作为IGBT 的替代品。

为了控制机组全生命周期内的运行成本并减少设备占用的空间，海上风机对部件的可靠性提出了非常高的要求。它们通常使用背靠背配置的电压源转换器，由低压侧的三相两电平整流器和三相三电平中性点钳位逆变器组成。在460V、240KW 设计中，直流母线电压约为760V。

风力涡轮机通常使用背靠背配置的电压源转换器

高电压转换拓扑

挪威科技大学在研究中用SiC MOSFET 取代了硅IGBT。结果，SiC 解决方案的效率在约5kHz 的开关频率下提高了约1%。在开关频率为50kHz时，SiC器件的效率与开关频率为10kHz的IGBT器件相同。这种更高的开关频率可以带来很多好处，例如通过减小无源元件的尺寸来提高功率密度，从而减小整个设备的尺寸和重量。

此外，SiC MOSFET 在10kHz 开关频率下比IGBT 更高效，从而降低了冷却要求。诺丁汉大学在分析单个风力涡轮机应用时改用SiC 器件，将散热器的尺寸减小了三分之一，并完全消除了对冷却风扇的需求。他们还发现，运行过程中的能源损失也减少了70%以上，两年内节省的运行成本可以抵消引入SiC技术带来的额外成本。

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用GaN 取代光伏逆变器中的IGBT

与SiC MOSFET 一样，GaN HEMT（高电子迁移率晶体管）与硅同类产品相比具有性能优势。其漏极和源极电荷QOSS较低，大大降低了开关过程中的损耗。此外，GaN HEMT可以支持更高的开关频率，因此与SiC一样，它可以帮助设计工程师减小设计过程中使用的无源元件的尺寸。

用于住宅和商业建筑的小型光伏系统正变得越来越受欢迎。个人和企业可以使用光伏系统为其电动汽车充电并满足部分（有时是全部）电力需求。单相应用适用于串联光伏板以产生直流电压的串式逆变器。尽管多年来此类电池板已经有所改进，但它们的效率仍然只有20% 左右。因此，在将电池板电压转换为线路输出或直流电以对本地储能系统(BSS) 充电时，保持尽可能高的效率至关重要。

串配置非常适合基于650V GaN 器件的设计。每个串都连接到DC/DC 升压电路，并由微控制器或片上系统供电，该微控制器或片上系统还可以处理最大功率点跟踪(MPPT)。 （SoC）控制。输出为直流母线大容量电容器供电，然后由DC/DC 转换器使用该电容器为ESS 电池组或DC/AC 逆变器供电，进而提供单相交流电源供本地或电网使用。

基于IGBT技术的组串式光伏逆变器可实现98%的峰值效率，并以15kHz至30kHz的开关速度运行。由于其工作频率，磁性元件相对较大、较重且昂贵。此外，IGBT还需要使用反并联二极管。这些因素共同增加了空间要求、物料清单(BOM) 和成本。

改用Nexperia的GaN FET技术，例如GAN041-650WSB等，可以将开关频率推至100kHz至300kHz之间。使用该器件时，输出滤波器变得更小，并且输出信号的保真度降低了谐波失真。这些改进融入到整个设计中，使整个设计变得更小、更轻，功率密度至少增加了一倍，效率超过99%，并降低了材料成本。

改用GaN 开关使单相组串逆变器效率更高，

更小、更轻（来源：Nexperia）

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SiC技术在储能系统中的应用

随着可再生能源技术的日益普及，储能系统（BSS）必须跟上步伐。能量存储系统确保产生的多余能量不会以热量的形式损失或闲置。这些系统可以在太阳能、风能或其他能源不可用时提供能源，并在电网需求高时提供电力。

碳化硅肖特基二极管针对这些系统的高性能和效率要求进行了优化。这些二极管通过提高开关频率来降低功率损耗并减小元件尺寸。 ON Semiconductor 的NDSH25170A 具有高开关性能和无反向恢复电流，可为ESS 应用提供出色的热性能。

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适用于SiC 和GaN 开关转换器的栅极驱动器

硅开关和宽带隙开关之间的另一个主要区别是所需的栅极驱动器。栅极驱动器在最短的时间内将硅MOSFET 的栅极推得尽可能高，从而实现快速切换以及在最低和最高电阻之间快速切换。尽管WBG 不会改变这一设计目标，但它确实改变了所涉及的电压。

氮化镓晶体管的栅极与二极管中的栅极类似，正向电压约为3V，与开关的栅极电容并联。因此，虽然只需要低电压即可保持晶体管导通，但需要稍高的电压才能将其导通。当再次关闭时，硬开关应用需要负电压。供应商目前提供专用栅极驱动器，例如英飞凌的隔离式1EDF5673K。该器件使用RC 耦合栅极驱动电路来提供开启和关闭时所需的电压。

了解WBG棚杆驱动器

SiC 栅极驱动器的功能通常与硅栅极驱动器相似，区别在于开启电压稍高。但开关速度的提高也带来了新的挑战，例如噪声和EMI 以及寄生电感导致的过压问题。因此，虽然提高开关速度有利于系统运行，但有时使用纯模拟控制门可能不是最佳解决方案。 Microchip 的2ASC-12AIHP AgileSwitch 是一款数字栅极驱动器，可对栅极导通和关断之间的电压进行逐步控制，从而减少电压过冲、振铃和关断损耗。

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宽带隙技术

下一代可再生能源设计的核心

虽然硅器件已经为我们提供了半个世纪的良好服务，但很明显，下一代可再生能源设计将需要碳化硅和氮化镓等宽带隙技术。从太阳能、风能到ESS，效率必须接近100% 才能满足这些系统的功率水平。这不仅提高了功率密度，还减少了设计人员当前使用的冷却系统相关的能量损失。

隔离式栅极驱动器可用于控制GaN HEMT。 RC 耦合设计可确保硬开关应用中正确生成电压（来源：Infineon）

随着开关频率的增加，磁性元件也可以变得更小，从而使解决方案更紧凑、更轻、更容易安装并占用更少的空间。宽带隙技术显然不仅仅是现有开关的简单替代。但工程师喜欢挑战，只要遵循基本的电气原理，过渡可谓“无痛”且有利于开发。

审稿人：李茜