电力电子技术日新月异
，宽带隙半导体技术越来越受欢迎。由于其高工作温度以及更高的开关电压和频率，它们实际上正在取代所有旧的硅解决方案
。宽带隙(WBG)半导体无疑构成了未来电子学的一场真正的革命。其中最重要的是碳化硅 (SIC) 和氮化镓 (GaN)

，它们与传统硅基半导体相比具有卓越的性能，正在彻底改变电子世界。

　　WBG 半导体覆盖了整个电子市场，此前一直由硅占据。碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN) 属于宽带隙 (WBG) 半导体类别，与传统硅半导体相比具有多种优势，而传统硅半导体现已达到性能极限。它们的特点是价带和导带之间存在特别大的差异
。带隙大约是硅带隙的三倍

，这使得可以达到更高的工作温度以及更高的工作电压

。

　　SiC 和 GaN mosfet 的一大优点是器件导通时源极和漏极通道之间的电阻值较低。该参数定义为 Rds(ON)
，是设计人员必须在数据表中遵守的首要值之一。这个值
，特别是对于碳化硅器件来说，甚至可以比硅元件低一千倍。因此
，与现有技术相比，新型宽带隙半导体材料具有明显的改进，其优点包括更低的功率损耗
、更高的高温鲁棒性以及在明显更高的开关频率和工作电压下工作的可能性。

　　这两种半导体都有应用，特别是在电力电子领域
。一般来说
，GaN 比 SiC 更快
，因此可以实现更快的开关速度
。SiC 提供更高的击穿电压，且价格略低。此外，它们分布在非常常见的封装中，例如 TO-220，允许在现有项目中简单快速地替换
。从图1可以看出，一般意义上的半导体是电导率介于导体和绝缘体之间的材料
。

　　可以通过向元件的某个触点施加电场来调节该电导率。碳化硅是最有前途的宽带隙半导体之一，具有更高的能源效率
、更低的发热
、更长的使用寿命以及抗冲击和振动能力

。GaN 更大的电子迁移率使其更适合高频应用
，因为其栅极具有非常低的电容。另一方面，SiC 具有更高的热导率，非常适合不需要高频开关的低频电路和高功率应用(例如汽车和太阳能)。尽管如此
，该系统主要在高电压下运行。

　　带隙 (WBG) 半导体应用领域

　　WBG 半导体电子元件非常适合电力应用，但其在许多领域的用途高度多样化。此外
，SiC 和 GaN 对于创建高效、紧凑的器件非常有效
。当今的主要应用领域之一是电动汽车领域
，专门用于电动汽车和车辆充电基础设施，有时能够提供数百千瓦的电力
。与清洁能源生产相关的行业

，如风能和太阳能，也是碳化硅和氮化镓元件的关注重点，这些系统通常需要巨大的功率，甚至在兆瓦范围内
。

　　当然，也不排除铁路运输领域
，它需要管理极其强大的发动机，以及通过机器人设备和自动机器控制的工业自动化。更详细地说
，WBG 元件在能量转换器
、电动机驱动、逆变器、LED 照明系统、电源以及通信设备中有着广泛的应用。碳化硅特别适合高功率应用
，因为它可以承受比硅高得多的电压
。它们的特点是导热率提高且功率损耗低。SiC 组件还特别适合输电系统
、电动汽车
、光伏系统和充电站的应用。有了它们，就有可能拥有具有更大自主权的车辆
，

　　一个重要的应用领域是可再生能源。例如，碳化硅转换器用于太阳能和风能系统，以提高电力转换效率
，增加可再生能源的产量。由于使用高电压，可以减少电缆的截面和成本。由于 WBG 器件的开关频率更高(远高于 Si 和 Ge)
，因此可以制造出更快、更精确的器件，但最重要的是，器件体积更小，因为电感元件(电感和变压器)的尺寸可以更小。

　　Rds(ON) 参数

　　SiC 或 GaN MOSFET 最重要的参数之一是漏极-源极沟道在导通期间的电阻，定义为 Rds(on)。在硅器件中，它与温度密切相关，并且其增加幅度远大于成比例


。这个问题也存在于 SiC 器件中，但程度要小得多
。GaN器件在这方面也优于硅
。对于这种半导体，Rds(on) 值也明显降低。在开关应用以及静态应用中，WBG MOSFET 具有较低的功率损耗，并且可以在非常高的电压和频率下工作
。

　　因此，该参数的降低有助于大幅降低传导损耗
。图2中的电气图是一个应用示例
，其中非常高的电流通过功率负载(R1)
。本示例中以静态模式使用的 SiC 器件具有以下特性：

　　型号：UF3C065030K3S

　　漏源电压
：650V

　　典型漏源导通电阻：27 mΩ

　　连续漏极电流

：85 A

　　脉冲漏极电流：230 A

　　功耗：441W

　　最高结温
：175°C

　　在图中
，栅极上的电压允许 MOSFET 将非常高的电流(约 32 A)传导至 3Ω 负载。在电路的稳态工作期间，可以检测到以下功率
：

　　发电机V1产生的功率：3045.47 W

　　负载 R1 消耗的功率：3019.17 W

　　MOSFET M1 功耗：26.30 W

　　与MOSFET栅极相关的功率无关
，因为它们的量级为 uW
。知道器件漏极上的电压和流过负载的电流，计算 Rds(on) 值非常简单

，如下所示
：

　　新计算的 Rds(on) 值证实了组件官方数据表上发布的数据，并且在各种工作条件下都非常稳定和恒定
。

　　现在
，根据各种参数的变化来分析和观察 Rds(on) 的变化是很有趣的
。图 3 中的图表突出显示了该参数随其他值变化的趋势
，特别是
：

　　顶部的第一张图“Rds(on) 与温度”显示了器件导通时的电阻值，对于相同的负载
，在 -20°C 和 +180°C 之间改变结温。可以看出
，该电阻值极低。

　　中间的第二张图“Rds(on) 与漏极电流”显示了器件导通时的电阻值，以及在 0°C
、70°C 和 140° 温度下流经 MOSFET 漏极的电流的变化C。在这种情况下

，所讨论的值非常稳定
。

　　“Rds(on) 与栅源电压”下面的第三张图显示了导电器件的电阻值，它改变了栅极上 MOSFET 的驱动电压。图表分析从 7V 电压开始，因为较低的电压值不允许器件导通。

　　更低的开关损耗

　　由于WBG半导体的导通电阻比硅和锗更低，因此它们在传导电流时散发的热量更少。此外
，由于其击穿电压较高
，因此它们可以承受更高的电压而不被损坏。高电压和低电流允许创建更小、更高效的设备，这些设备需要更少的冷却并消耗更少的能量
。由于涉及高频
，电感元件也可以小得多。

　　如今
，凭借 WBG 组件的革命性特性，电机驱动系统或一般功率器件控制脉宽调制 (PWM) 以改变负载功率
。这种方法允许在电机中获得高扭矩，并且在任何速度状态下都非常高效。然而，它们受到不可避免的高频开关损耗的影响
，因为电子开关不是理想的元件
，它们不具有无限速度的特征
，并且具有虽然很小的输入电容，这妨碍了完美和干净的信号切换
。一些研究的重点是了解这些损耗的根源和系统的开关频率。

　　能量损失量取决于电气图的类型，并且与开关频率直接相关。由于发生的逻辑变化事件数量较多，较高的开关频率会自然地增加开关损耗。事实上
，电子元件在某些点上不再能够准确地“跟随”开关。因此，选择合适的开关频率对于优化电源系统的整体效率非常重要。在图 4 中，可以观察开关损耗发生的时刻，即与栅极信号的上升沿和下降沿精确对应
，栅极信号用于打开或关闭 MOSFET 的 DS 沟道
。在逻辑电平切换后的瞬间
，电压，并且电流瞬变不是立即且突然的，因此在某些时刻
，这些不为零的值会导致 MOSFET 功耗增加
。此外
，如上所述
，损耗值随着工作频率的增加而增加

，并且在 30 kHz 之后
，根据所使用的模型，这些损耗可能是不可接受的。

　　从前面的段落可以看出，采用宽带隙技术的半导体在可靠性、能源效率、功率密度和降低成本方面具有重要优势。SiC和 GaN 组件非常适合汽车
、交通、能源转型和可再生能源领域等电力应用
。

使用宽带隙半导体

，器件运行期间的损耗无疑会更少，从而实现更高效的性能和更好的能量转换，同时散热更少。通过大量使用它们，可以大大减少对环境的影响
，实现能源可持续发展，同时也有助于减少温室气体排放
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