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能量需求不斷攀升

 

“節約能源”是我們都非常熟悉的口號，但全球能源需求短期內并不會下降。工業能源協會認為，到2040年，能源需求將比2018年增加約50%。樂觀地說，只有三分之二的增長是來自可再生能源。經過簡單的計算就可以知道，這意味著來自化石燃料的實際能量基本保持不變。你可能會認為，未來可再生能源的增加會讓能源轉換效率變得不那么重要。比如，無論你是否攔截太陽能并將其轉化為電能，太陽能都能使環境變暖，并最終為負載提供熱量。能量損失仍然是不必要的支出，特別是在目前可再生能源成本較高的情況下。因此在可預見的未來，石油和天然氣仍會與太陽能、風能和其他能源混合使用，從能源到負載的能量轉換效率仍然是主要問題。

對于采用諧振轉換技術的現代設計，現在的能量轉換效率已經很高，進一步的改善已經深入到了基本元件特性，特別是半導體開關。理想情況是，在“開關模式”設計中，這些開關要么是“關”，要么是“開”，無論哪種情況，只要“開”真的是短路，就不會消耗電力。而現實情況是，即便幾毫歐姆的導通電阻也會造成顯著的損耗。當晶體管在開/關狀態之間切換時，它會產生一些瞬態損耗。 瞬態損耗有可能在很短的時間內達到千瓦級。因此，保持低損耗意味著要降低導通電阻，加快器件開關速度，從而使瞬態損耗持續時間更短，平均值更低。傳統的硅基開關，如IGBT和MOSFET，正在不斷改進，但新材料如碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN)在材質特性上更勝一籌，現在有很大希望在能量轉換效率上更進一步。

 

SiC和GaN寬禁帶器件縮小了效率鴻溝

 

SiC和GaN在原子級別上就與硅 (Si) 截然不同。寬禁帶是指材料中的電子從“價帶”躍遷到“導帶”以實現電流流動所需的能量。SiC和GaN所需的能量值大約是Si的兩倍，這對用SiC和GaN材料制作的器件影響非常大。SiC和GaN的導通電阻更低，開關速度更快，適應的工作溫度更高，芯片面積更小，特別是SiC，其熱導率遠優于Si和GaN。這意味著它們組合使用，生成的熱量會更少，而多余的熱量會被高效散出，從而成就尺寸更小、更高效的器件。另外，還有一些連鎖反應的好處：更高的轉換效率意味著更少的外部冷卻；更快的開關速度允許其他系統組件縮小尺寸，降低成本和產品尺寸；驅動開關所需的功率遠低于競爭對手Si器件；碳化硅和氮化鎵本身就具有抗輻射能力 (rad-hard)。這些優點再加上其耐高溫優勢，使其非常適合航空航天應用。那么，有什么理由不受追捧呢？

 

寬禁帶半導體的應用正在加速對的

 

設計師們喜歡SiC和GaN，不過要提醒的是：作為新技術，其成本也不可避免地更高一些。這些成本現在已經在逐步降低，制造商們聲稱，如果考慮到它們給整個系統帶來的節約，其生命周期的總體成本其實更低。另外，它們在驅動設備方面比Si更挑剔。在有些情況下，用戶要等到更多的可靠性數據后才會從更成熟的Si技術遷移過來。

 

與此同時，SiC和GaN器件制造商正在穩步革新，寬禁帶技術被認為還有一段路要走。導通電阻減小，額定電壓提高，創新型封裝結構被用來最大限度地發揮器件的性能，實驗室和現場的可靠性數據也在不斷累積。即便是敏感的柵極驅動問題也已用與Si MOSFET封裝在一起的SiC或GaN器件的共源共柵結構解決。

 

SiC和GaN有望成為半導體開關的未來，其效率增益正在接近實際互連設定的理論極限。對于電源工程師來說，要等到目標再次發生變動，才會祭出另一個寬禁帶法寶。