通常，人们会忽视栅极驱动器在优化功率晶体管整体运行方面的作用，就好像 SIC MOSFET 或 GaN HEMT 是独立元件一样。意法半导体的电隔离 STGAPx 系列是针对 WBG 优化的栅极驱动器的一个很好的例子
。

　　共源共栅配置中的常开 GaN HEMT 通常被视为实现具有常关行为的开关的最短途径。实际上，共源共栅配置中的 GaN 具有固有常关晶体管的特定特性，从而具有独特的性能和更安全的操作模式，正如 Nexperia GaN 国际产品营销经理 Ilian Bonov 在演讲中所展示的那样。

　　第三个值得探索的方面是主流汽车生态系统之外的智能电网中 SiC MOSFET 的使用
，SiC 市场的增长主要由汽车应用推动，例如牵引逆变器和电池充电器，但考虑到大量部署需要无处不在且耗电的充电站的电动汽车
，全向电网中使用的超高压 (HV) SiC MOSFET 可以带来显着的节省。

　　WBG 功率半导体市场概况

　　Prabhu 指出，WBG 半导体市场总额将从 2022 年的 29.2 亿美元跃升至 2032 年的 288.8 亿美元。就市场增长而言，WBG 产品在 2022 年至 2027 年的五年内将实现 35.2% 的复合平均增长率，超过任何其他半导体系列的增长率
。这一惊人增长的关键驱动因素包括电动汽车采用 400V 至 800V 电池系统的功率器件，以及对更高效转换器的需求
，以满足 5G 基站

、充电器和其他工业应用的需求。

　　总体而言，WBG 器件有助于减少碳足迹

，因为它可以降低成本并提高各种能源转换器的效率
，使其更受欢迎、更实惠且更易于大规模部署
。它们还可用于生产绿色氢气
，这种氢气的供应几乎是无限的
，但生产仍然耗能，更不用说在转换器和逆变器中使用 GaN 和 SiC 代替硅可以节省大量二氧化碳。

　　电动汽车确实是市场增长的主要推动力，但仍存在一些问题，例如电池组件和发动机的材料供应
、地缘政治紧张局势以及明智地向可再生能源过渡，用于为越来越多的充电站供电。其他机会是利用具有吸引力且与电气化互补的宽带隙半导体
。这些包括太阳能逆变器、风力发电场
、智能电网
、UPS(存储系统)和数据中心，随着利发国际联系越来越紧密
，人工智能的使用越来越广泛，这些领域的数量也在不断增长。

　　进一步改进 WBG 产品仍存在一些问题和挑战。目前，大多数 SiC MOSFET 都是采用平面技术制造的
，而沟槽是一种提高产品性能的选择，可以缩小芯片尺寸
、降低传导损耗并提高成本竞争力。但即使功率半导体制造商多年来一直掌握硅沟槽技术，考虑到最终材料具有不同的晶体结构和物理特性
，将其应用于 SiC 技术也并非简单的移植。减少晶圆基板的内置缺陷以提高制造良率也需要额外的努力。

　　GaN晶体管已在8英寸上量产
，电压约为650V
，具有横向结构，这限制了电压能力和电流密度的扩展
。垂直GaN仍仅限于实验室试验和使用高成本同质外延(GaN-on-GaN)的小晶圆尺寸
。

　　效率的提高还意味着更好的冷却技术，例如双面冷却和硅通孔，以及用于基板和芯片框架的新材料。用于将封装连接到散热器(而不仅仅是将芯片连接到框架)的银和铜烧结方法也有利于改善散热
，因为热接触更好
。

　　WBG 栅极驱动器

　　栅极驱动器是重要的 IC，因为它们提供和吸收足够的电流以有效驱动功率器件，同时确保在故障条件下安全运行
。STGAx (STGAP) 系列栅极驱动器适用于隔离拓扑中使用的 SiC 和 GaN 晶体管，基于电流变压器式绝缘 (6.4 kVpk)
，可驱动高达 1.5 kV 电压轨的电源开关。图 1 显示了基本概念
。符合 AEC-Q100 标准的 STGAP4S 嵌入反激式控制器以生成隔离轨，以实现正确的 SiC 驱动。串行外设接口可用于参数编程和扩展诊断类去饱和检测、过流检测
、输入去尖峰滤波器、每个电源上的欠压锁定和过压锁定以及可编程死区时间
。

　　米勒钳位引脚是栅极驱动器的一项重要功能，因为它可以避免桥式拓扑中因换向尖峰而导致的寄生晶体管导通。当以半桥配置驱动功率器件时
，由于漏极和栅极之间的电容耦合
，即使驱动器保持关闭状态，栅极源电压 (Vgs) 也可能达到阈值水平，并导致击穿 (交叉传导) 的灾难性故障
。通过使用米勒钳位输出，存在低阻抗路径，以确保 V gs在开关阶段不会增加。SiC MOSFET 的阈值电压较低，更容易受到这种现象的影响。

　　共源共栅 GaN FET

　　Cascode GaN 是在同一封装中组合两个元件以实现常关开关
：常开(耗尽模式或 d 模式)650 V GaN HEMT与 30 V 硅 MOSFET 串联
。外部端子是 MOSFET 的栅极 (G)，也是 Cascode 的栅极;HEMT 的漏极 (D);以及 MOSFET 的源极 (S)
，内部连接到 HEMT 的栅极。主要特点是高饱和电流(因为 GaN 电子迁移率高)、坚固的栅极(±20 V)
、易于驱动(0 至 12 V
，阈值为 4 V)和反向传导模式下的低损耗。

　　如图 2 所示，Nexperia 的共源共栅 GaN 在 6 V 以上完全导通，I d与 V gs曲线在 25°C 和 150°C 之间变化不大，保证在两个极端温度下性能始终一致。与两种竞争器件相比
，栅极电压变化 2 V 不会影响器件性能
。竞争对手的常闭 GaN 器件在 25°C 和 150°C 之间表现出较大的电流间隙。温度越高，电子迁移率越低。反向传导损耗对共源共栅更有利
，因为 MOSFET 的二极管具有电压降 V f在 20 A 时仅为 1.4 V
，而 SiC MOSFET 和 e-mode GaN 分别为 5 V 和 4.6 V。反向传导发生在死区时间期间
，如果设计人员使用 GaN 共源共栅
，则不必将死区时间保持在尽可能短的范围内以减少此类损失。

　　为了充分利用 GaN 共源共栅开关的潜在特性，需要采用适当的封装，以降低内部电感
、降低热阻并提高板级可靠性。CCPAK1212 (12 × 12 mm 2 ) 具有底部和顶部冷却版本，并采用铜夹安装，是最佳选择
。Nexperia 声称其寄生电感为 1.27 nH，而采用 SiC MOSFET 的 TOLL 封装的寄生电感为 2 nH，这意味着其频率更高。在 400 V 至 230 V 的硬开关 DC/DC 转换器中
，以 100 kHz 的频率运行并使用顶部 650 V 开关
，无需 PCB 即可达到最大 6 kW，在整个功率范围内可实现 98% 以上的效率(2 kW 时为 99%)。

　　全向网格

　　全向电网是一个新概念，其核心是将能源和电力从采集点智能高效地输送到消耗点。换句话说，正如 Microchip 的 Speer 所说，利发国际需要随时随地为任何人提供电力。在这一努力中，1,700 V 至 3.3 kV 的高压 SiC 产品将发挥关键作用。虽然在能源消耗(电动汽车

、充电站等)时，650 V 和 1,200 V SiC 在效率和功率密度方面的优势得到了充分发挥，但考虑到完整的能源生命周期
，SiC MOSFET 和二极管有什么作用呢?如图 3 所示?中间的区块呢?

　　火力发电厂燃烧燃料发电效率极低，当电力到达消耗点时，大约三分之二的原始能量在转换过程中损失。例如，天然气发电厂的效率为 44%
，这意味着天然气中储存的能量有 56% 被损失，而 44% 的能量被转换成电能
。除此之外，长距离传输、调节和配电还会造成额外的电力损失—— 根据美国能源信息署 (645 GWh) 的数据，美国平均损失约 5% ——这加剧了电网固有的低效率
。

　　美国在 2021 年消耗了 4 TWh 的电力，到 2050 年，电动汽车充电将额外增加 2 TWh 的年度需求，因此电网和能源的负担将非常沉重。因此，有必要提高输配电效率，摆脱单向电网，单向电网的主要缺点是电压和频率不同
、难以控制电力流方向以及低压 (LV) 转换器效率低下
。全向电网所要做的就是在需要时提供适量的能量;也就是说
，具有灵活性和更大的自由度
。因此

，解决方案是在变电站内采用电力电子设备

，以便于集成分布式能源资源
、提高转换效率，并为进一步的电网发展和新架构实施创造适当的条件。当然，变电站级电压如此之高
，以至于只有 SiC 产品才能以不打折扣的效率和减小的转换器尺寸进行部署。额定电压为 3.3 kV 的 SiC MOSFET 和肖特基二极管还将简化整个系统
，包括传感
、控制
、驱动器和减少的元件数量。

　　HV SiC 产品使用模块化多级转换器，这是一种用于中压 (MV) 和高压直流转换的电力电子转换器，由多个(多达数百或数千个)串联的低压额定子模块组成
。这种拓扑结构可产生多个输出电压水平，从而减少电池数量(电压越高，电池数量越少)
、提高电能质量
、降低故障点和降低拥有成本。使用 10,000-V SiC 开关
，模块数量大幅减少 - 低于 100 个
。

　　为了实现全向电网

，当今的 SiC 技术使利发国际能够用固态变压器 (SST) 取代笨重的传统变压器
，从而将中压转换为低压(用于为负载供电)
，从而提高效率
、功率密度和电能质量。在优化全向电网方面
，利发国际有可能领先一步，这涉及用 SST 取代 AC/AC HV-MV 传统变压器，但需要进一步开发 SiC 技术。

利发国际科技专注功率器件领域，为客户提供IGBT
、IPM模块等功率器件以及MCU和触控芯片
，是一家拥有核心技术的电子元器件供应商和解决方案商。