自從寬帶隙 (WBG) 器件誕生以來(lái)，為功率變換應用帶來(lái)了一股令人激動(dòng)的浪潮。但是，在什么情況下從硅片轉換到寬帶隙技術(shù)才有意義呢？迄今為止，屏蔽柵極 MOSFET、超級結器件和 IGBT等基于硅的功率器件已經(jīng)很好地在業(yè)界得到大規模應用。這些器件在品質(zhì)因數 (FoM) 方面不斷改進(jìn)，加上在拓撲架構和開(kāi)關(guān)機理等方面的進(jìn)步，使工程師能夠實(shí)現更高的系統效率。工程師堅持繼續使用硅片的最常見(jiàn)原因可能是在這方面擁有豐富的知識和經(jīng)驗。然而，在某些情況下，下一代電源、逆變器和光伏系統的性能要求使WBG器件應用成為首選。

 

在中壓應用中，英飛凌的 OptiMOS™ 能夠提供業(yè)界更佳的品質(zhì)因數。開(kāi)關(guān)電源 (SMPS)、逆變器和電池供電馬達等需要100～200V MOSFET 的應用已經(jīng)在使用這些高頻優(yōu)化器件。然而，隨著(zhù)人工智能 (AI) 協(xié)處理器等需要巨大電流的邊緣運算應用越來(lái)越廣泛，對提升電源供電效率和瞬態(tài)負載響應能力提出了要求。 CoolGaN™可提供明顯優(yōu)于任何同類(lèi)中壓硅器件的 FoM以及零反向恢復電荷，這使其成為半橋電路的完美選擇。由于其晶體平面生長(cháng)特性，使封裝能夠實(shí)現采用頂部散熱的創(chuàng )新機制。在 54V 輸入/12V 輸出的降壓變換器中，基于 CoolGaN™ 的設計可提供 15A 電流，在500 kHz 開(kāi)關(guān)頻率時(shí)達到超過(guò) 96.5% 的峰值效率。這比同等OptiMOS™ 5 100V在100 kHz開(kāi)關(guān)頻率下效率提高了1%。

 

在400～650V范圍內的高電壓應用也受會(huì )益于 CoolGaN™器件，通過(guò)利用更高開(kāi)關(guān)頻率而實(shí)現的效率提升可提高功率密度，這種特性在空間和重量越來(lái)越寶貴的通訊和服務(wù)器電源中尤為重要。對 3kW/12V 電源的復雜帕累托分析（Pareto analysis）表明，CoolGaN™ 技術(shù)可以在大約 67W/in3 的功率密度下提供比超級結 CoolMOS™ 器件高 0.7% 的效率。這里還要注意的一點(diǎn)是，第一代 GaN 器件目前正處于其技術(shù)路線(xiàn)圖的開(kāi)始階段。研究表明，就單位面積的通態(tài)電阻而言，我們距離其理論極限值還有一個(gè)數量級。

 

TRENCHSTOP™ IGBT 長(cháng)期以來(lái)一直是需要 1200V 開(kāi)關(guān)應用的主力，并已經(jīng)成為光伏逆變器、SMPS 和汽車(chē)逆變器等應用的重要產(chǎn)品。與 MOSFET 一樣，每一代新器件都進(jìn)一步改善了 VCEsat 之間的權衡。然而，隨著(zhù)碳化硅（SiC）技術(shù)的出現，CoolSiC™ 等堅固的溝槽 MOSFET在傳導和開(kāi)關(guān)損耗方面都具有明顯優(yōu)勢，因而正在上述應用中迅速得到認可。硬開(kāi)關(guān)圖騰柱功率因數校正電路(CCM PFC) 就是一個(gè)例子。CoolSiC™通?？稍?100°C 左右溫度下運行，隨溫度變化的相對平坦 RDS(on) 意味著(zhù) 94mΩ 器件可以在 3.3kW CCM 圖騰柱 PFC 中實(shí)現 99% 的效率。

 

總體而言，CoolGaN™ 和 CoolSiC™ 都能夠提供更好的 FoM，并且可實(shí)現比同類(lèi)硅器件更高的效率。但是，這些并不是唯一需要考慮的因素，價(jià)格同樣很重要，采用新技術(shù)帶來(lái)的相關(guān)風(fēng)險也是如此。GaN 和 SiC 都具有不同的驅動(dòng)和工作特性，為了充分發(fā)揮這些技術(shù)的潛力，可能還需要新的拓撲架構或控制技術(shù)。

 

對于服務(wù)器等應用中的圖騰柱 PFC， SiC 和 GaN 器件均可以使用。由于SiC器件的 RDS(on) 溫度相關(guān)性非常低，因此可首選用于 CCM 控制，而 GaN 則在諧振圖騰柱應用中具有優(yōu)勢。在傳統升壓 PFC 中，硅 MOSFET 與 WBG 器件相比，能夠以更低成本實(shí)現理想的系統效率，因而硅 MOSFET仍然是最佳選擇。當功率密度非常重要時(shí)，尤其是在輕負載情況下，CoolGaN™ 具有更低的柵極驅動(dòng)損耗，使其成為更好的選擇對象，而CoolSiC™ 則是次優(yōu)選擇，對于服務(wù)器和電信應用的高頻 LLC 設計而言尤其如此。在汽車(chē)應用領(lǐng)域，我們預計車(chē)載充電器、DC-DC 轉換器和主逆變器等應用對 SiC MOSFET 的需求會(huì )越來(lái)越大。

 

設計人員喜歡更多的選擇方案來(lái)做出最佳設計，為了滿(mǎn)足這些需求，英飛凌正在開(kāi)發(fā)多種WBG器件來(lái)補充其業(yè)界領(lǐng)先的硅技術(shù)，使系統設計人員保留某些硅技術(shù)的同時(shí)，可改進(jìn)產(chǎn)品設計。然而，當時(shí)機成熟時(shí)，WBG 解決方案將能夠把電源設計推向前所未有的高效率和高功率密度。