碳化硅(SIC)和氮化镓(GaN)是两种在各种功率电子应用中最成功的宽禁带材料。它们较高的禁带宽度使其在关键电场方面相比硅(Si)提高了10倍以上。

　　这些以及其他材料优势，带来了比硅在功率转换方面的许多关键改进，如更快的开关速度、更低的损耗、更好的高温性能(SiC)、更高的功率密度以及在转换器设计中实现更简单的拓扑结构。图1展示了SiC和GaN功率电子器件在以下应用中的使用：

图1

　　具有太阳能和风能农场的电网级能源生成和储存。

　　电动汽车(EV)和火车的运输以及充电基础设施。

　　高效电动家用热泵。

　　电信和数据中心的电源。

　　工业应用如UPS和电机驱动的功率转换器。

　　消费终端用户的充电器/适配器、住宅微型逆变器和电池储能系统。

　　让我们更详细地看一下这些示例中的一些。

　　太阳能和风能发电

　　预计光伏(PV)装机容量将在2020-2021年间增加22%。许多国家为实现2030年和2050年的气候变化目标而努力，加上与化石燃料生产相比具有成本优势，导致预计到2030年PV装机容量的复合年增长率(CAGR)将达到25%，总增加容量为4200吉瓦。如图2中所示，对于100千瓦太阳能逆变器示例，2008年使用硅功率器件实现的重力功率密度为0.09千瓦/千克。使用SiC在2018年将其提高到1.6千瓦/千克，而2022年使用最新的2千伏SiC器件进一步提高到超过3千瓦/千克。更小、更高效的系统也使得安装更容易，无论是用于太阳能农场的大型串式逆变器还是用于住宅应用的微型逆变器。

图2

　　横向GaN HEMT器件通常额定电压在650V以下。它们的采用速度比SiC MOSFETs慢，尤其是在移动充电器应用领域之外。预期随着设计师和客户对充分利用GaN能力的新拓扑结构越来越熟悉，其增长将加速。

如图3所示的一个示例利用了HEMT器件本质上双向栅极控制电流流动的特性，其缺乏p-body(需要进行修改，如双栅极以实现双向电压阻断能力)。这使得可以使用单级太阳能逆变器，而不是传统使用DC/DC前端后接DC/AC转换器的两级逆变器。多级转换器使用占据显著体积和重量的被动元件进行解耦。基于四象限开关的交流-交流切换使用环流转换器可以降低损耗，提高功率密度，并减少系统复杂性和成本。预计这种基于GaN的逆变器将在2030年前在住宅太阳能市场中发挥重要作用。

图3

　　电动汽车(EV)

　　SiC基系统在电动汽车牵引逆变器领域得到了广泛接受，因其高温和高功率需求适合SiC的能力，与Si IGBTs相比效率显著提高。这可以转化为10-12%的车辆续航里程提高。SiC MOSFETs显著改进的轻载性能可以补充Si IGBTs在高载/高速和成本优势上的表现，从而形成混合系统。额定1200V及以上的SiC MOSFETs适合未来计划的支持快速充电的800V电池系统。如今，SiC功率器件市场的绝大多数增长由汽车使用推动，预计这一趋势将继续。

　　电动汽车车载充电器展示了一个有趣的例子，预计到2030年基于GaN的转换器将取代SiC充电器。其低寄生损耗和更高频率的开关能力转化为系统级的功率密度和/或效率改进。如图2所示，虽然SiC将这一11-22千瓦、400V系统的体积功率密度从2千瓦/升提高到4千瓦/升，GaN则可以将其提高到超过6千瓦/升。

　　住宅能源储存

　　能源储存与可再生能源发电同等重要。这些系统需要双向且高效。基于Infineon的CoolSiC™ MOSFET的650V系统如图4所示，可以在更高频率下运行，并具有更小的损耗，从而使磁性元件更小。因此，与基于硅的转换器相比，其尺寸、重量和效率得到了改善。

图4

　　移动充电器

　　在移动充电器市场中，GaN HEMT基转换器因其较高的开关频率和低损耗在各种指标上远优于硅基同行。这包括更高的功率密度，从而实现更小的外形尺寸和更简单的拓扑结构。图5中突出了一个例子。

图5

　　如图所示，Infineon与Anker合作制造的适配器/充电器包括一个混合反激(HFB)转换器，一个集成功率级(IPS，包括一个门极驱动器和两个GaN开关)，以及一个次级同步整流器(SR)和负载开关。与优化的控制器和软件算法配对，使用GaN相比硅实现了尺寸减少53%和损耗降低21%。

　　总而言之，为了实现2050/2060年的净零碳排放目标，所有与能源相关的行业都需要实现减碳。这包括可再生能源的发电、分配、储存以及住宅、工业和交通运输部门的电气化。基于SiC和GaN宽禁带半导体的功率电子正在推动这些行业的转型。预计SiC和GaN功率器件在可预见的未来的复合年增长率将超过25%。

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