宽禁带半导体材料的现在与未来

来源：半导体产业纵横

如 今，我们正处于电力电子新时代的早期阶段，而这个时代将持续到未来几十年。 在这个阶段中，宽禁带半导体材料将会发挥自己的作用。

 

宽禁带半导体材料发展的背景

 

电动汽车、车载充电器、电动汽车充电站、太阳能、风电和储能系统市场正在快速增长。现在，配备电池供电或混合动力发动机的电动汽车需求量很大，最终将取代汽油和柴油汽车。这些车辆由交流电网连接供电，其中车载充电器为车辆电池充电，或者在充电期间直接连接到车辆电池的外部直流充电器以高速充电。从能源和环境的角度来看，汽车使用通过燃煤发电的电厂电力驱动汽车是没有意义的，因此太阳能或风能产生的能量会在需要时储存和使用，储能系统也发展迅速。

 

高效率和高功率密度是上述应用的特点。车载电动汽车充电器不应占用过多的车内空间，新开发的车载充电器将和原来的充电器尺寸大小一致，但必须能够提供两倍的功率；太阳能发电厂中使用的太阳能逆变器采用模块化单元建造，可由两个人移动，在不增加重量的情况下增加模块化单元的功率是太阳能逆变器的主要发展趋势。

 

电子电力行业另一个快速增长的领域是数据中心使用的组件。随着云计算、人工智能和互联网服务的使用增加，数据中心使用的组件将加速增长。不间断电源为这些数据中心提供可靠的电力。许多电源安装在数据中心的电子设备板上，将主输入电压转换为48V后，进一步转换为低电压，用于驱动数据中心的处理器、FPGA和内存。

 

在这些背景下，硅功率半导体正在被SiC和GaN功率开关所取代。SiC和GaN是宽禁带半导体材料。与传统的硅基电源开关 （例如IGBT和硅MOSFET） 相比，这些材料使电源开关能够在更高的温度、频率和电压下运行。

 

SiC和GaN经常被放在一起讨论，但在实践中存在一些重要差异，实际用处也不一样。GaN器件的总电容低于SiC器件。但是，SiC比GaN具有更高的热导率和平坦的温度系数，使其适用于大功率和高温应用。SiC用于650V以上器件的应用，GaN 用于100V至650V的应用，耐压在 100V 左右的 GaN 器件用于从 48V 到更低电压的中压功率转换。

 

此外，用于云计算和USB PD应用的AC-DC电源包括一个650V GaN电源开关，此电压是适用于AC-DC转换的额定电压。GaN的高频特性使得电源的无源元件比以前小很多，使得整体解决方案极其紧凑。

  

相比之下，SiC器件专为650V及以上电压而设计。在1200V以上，SiC是各种应用的最佳解决方案。从长远来看，太阳能逆变器、电动汽车充电器和工业 AC-DC 转换器等应用都将转向SiC。另外，SiC材料制作的固态变压器很有前景，可以用半导体代替由铜和磁铁组成的电流互感器，以提高效率、减少谐波和提高电网稳定性。

 

电子电力的下一轮革命已经到来，在SiC和GaN这种有前途的宽禁带半导体材料的助力下，电力电子的未来也将是高效。