功率器件的演變

Ali Husain

隨著世界中產階級的增加以及汽車、暖通空調（HVAC）和工業驅動更加電氣化，電力需求只會增加。在每個功率級（發電、配電、轉換和消耗）所能達到的能效將決定整個電力基礎設施的負擔增加程度。在每個功率級，能效低會導致產生熱量，這是主要的副產物。通常，消除熱量或以其他方式處理熱量需要消耗更多的能量。因此，減少每一功率級產生的廢熱具有相當大的影響。

在轉換級，電力電子器件產生的熱量主要歸咎于導通損耗和開關損耗。更高能效的半導體意味著更少的熱量，因此也減少了能源浪費。低能效的半導體產生的熱量是不可利用的，且大多是不需要的，但得益于半導體技術和材料的不斷改進和能效提高，越來越可避免產生大量的熱量。

功率半導體的不斷發展在很大程度上是由終端市場的需求驅動的。如今，所有垂直行業、市場或應用都有其特定的功率需求。即使在近期，這些不同的需求不得不以基本相同的半導體技術來滿足：硅FET。對所有應用都使用相同的技術，不可避免地會導致一些應用表現出比其他應用更大的損耗，這完全是由于器件的局限性；沒有哪一種技術/方案是萬能的，我們需要根據需求去定制。

目前，功率開關有幾種不同的選擇。功率MOSFET是最基本的器件，多用于擊穿電壓低于200 V的應用。超級結MOSFET是它的延伸，旨在實現更高的電壓，具有相對快速的開關特性。IGBT可看作是雙極結晶體管和MOSFET的混合體，它的開關波形較慢，但很適合硬開關拓撲結構，用于大功率應用。

如今，在應用于特定電源應用時，包括碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）在內的廣義上的寬禁帶（WBG）技術已發展到每項指標都可挑戰硅FET和IGBT。WBG帶來的主要優勢之一是其在高頻下高效開關的能力，這可直接轉化為電源中更小的無源、磁性元件。另一個優勢是其相對沒有反向恢復電流，能在各種電源拓撲結構中代替二極管，這不僅提高了整體能效，而且有可能實現全新的架構。

WBG功率晶體管的開發為OEM廠商提供了更廣泛的開關方案選擇，從而可以替代拓撲提供更高的能效和功率密度。這種選擇水平不僅在現有應用中具有優勢，實際上還實現了全新的用電方式。圖騰柱PFC拓撲結構是個很好的例子，若選用WBG器件則會更有益和可行。

從目前的許多應用來看，幾乎所有領域都表現出對電力電子的強烈需求。在汽車行業，動力總成的功能電子化趨勢仍在繼續。隨著混合動力汽車和純電動汽車的發展，需要AC-DC和DC-DC轉換用于車載電池充電和電動機驅動。現在，可再生能源在整個電力基礎設施中占有較大的比重，且這一比重還將不斷增長。在光伏發電中，要求逆變器能夠把電壓相對低、但電流高的直流電轉換為交流電供更廣泛的電網使用。一個補充的應用領域是利用電池儲能來穩定對電網的需求。該技術正在取代能效較低的燃煤和天然氣發電機，因為這些發電機每次上線時都需要進行物理旋轉來提速，通常用于相對短時間運行的應用。

電力的生產方式正在從化石燃料轉向可再生的“綠色”能源，如太陽能、風能和波浪能。這些自然能源比能源行業所使用的資源如天然氣和燃煤的合規性要低。這在過去意味著每瓦特的成本更高，不過現在這種情況正在改變。更高效的電力電子技術是太陽能和風能成本低于化石燃料的原因之一。WBG的出現和傳統半導體技術的不斷進步意味著可再生能源現在更加可行，并將在未來的電氣化系統中發揮更大的作用。

1 高能效是推動力

電力負載所需的電壓和電流水平相差很大，可從其由微到兆的量級明顯看出。當電能到達其終端應用時，其功率將處于最低水平。這種受控的減少需要轉換，如前所述，它是功率級的倒數第二級，可以說最重要的也在于能效。

運行中的電源（發電機）與使用中的能源消耗設備（電子設備）數量的比值太大就沒有意義。業界預計，將有數百億臺新設備上線作為物聯網（IoT）的一部分，而我們卻沒有看到發電機數量的相應增長。為了維持這一趨勢，提高電力生命周期的每一級能效變得至關重要。

IoT無疑將帶來大量的新設備，但實際上，有更多的設備已經投入使用并消耗電力，還有相當數量的設備正在開發或生產。雖然不是所有這些設備都將聯接到全球數據網絡，但它們將以某種方式成為國家電力網絡的負荷。這些設備中的每一個所表現出的低能效都會導致總的電力損耗，或者說，每天每分鐘都會有能量以熱量的形式散失。為應用選擇最佳的開關技術，這些損耗可降到最低。

WBG技術的主要特點，包括其相對較高的電子遷移率、高擊穿電壓、對高溫的耐受性和高帶隙能量使其適合于電源應用。這些特點有利于其以比傳統硅基功率晶體管更高的頻率開關。它們還表現出較低的導通電阻，這在電源電路中至關重要，因為大部分的損耗在這里以熱量的形式發生。

例如，GaN晶體管能以MHz的頻率開關幾十kW。其高開關頻率使GaN晶體管對RF發射器和放大器等其他應用具有吸引力，但真正使GaN適用于電源電路的是快速開關高壓的能力。同樣，SiC在開關速度和電壓方面也優于硅FET和IGBT。SiC和GaN技術在品質因數的交越有限，因此兩者是互補而非互相競爭，在高功率開關應用中各有設計優勢。

WBG的優勢并非完全“免費”。除了相對較高的成本外，SiC和GaN都需要不同于硅FET和IGBT的門極驅動方案。有利的是，這些技術的供應鏈正在迅速發展。安森美半導體現在為所有這些技術制定了戰略，包括硅FET、IGBT、SiC和GaN，以及專門為支持SiC和GaN而設計的相應門極驅動器。

2 結束語

電子行業很清楚，能量轉換始終會以熱的形式產生一定程度的損耗。然而，更高效的功率半導體的不斷發展正使逆變器和轉換器的開關損耗接近絕對最小。現在，在所有應用中都需要更多含量的功率半導體及持續的更高能效。有利的是，安森美半導體在賦能技術的持續投資使之處于有利地位，可很好地滿足這一需求。