功率器件的演變

隨著(zhù)世界中產(chǎn)階級的增加以及汽車(chē)、暖通空調（HVAC）和工業(yè)驅動(dòng)更加電氣化，電力需求只會(huì )增加。在每個(gè)功率級（發(fā)電、配電、轉換和消耗）所能達到的能效將決定整個(gè)電力基礎設施的負擔增加程度。在每個(gè)功率級，能效低會(huì )導致產(chǎn)生熱量，這是主要的副產(chǎn)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(chǎn)生的廢熱具有相當大的影響。

在轉換級，電力電子器件產(chǎn)生的熱量主要歸咎于導通損耗和開(kāi)關(guān)損耗。更高能效的半導體意味著(zhù)更少的熱量，因此也減少了能源浪費。低能效的半導體產(chǎn)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(shù)和材料的不斷改進(jìn)和能效提高，越來(lái)越可避免產(chǎn)生大量的熱量。

功率半導體的不斷發(fā)展在很大程度上是由終端市場(chǎng)的需求驅動(dòng)的。如今，所有垂直行業(yè)、市場(chǎng)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(shù)來(lái)滿(mǎn)足：硅FET。對所有應用都使用相同的技術(shù)，不可避免地會(huì )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(méi)有哪一種技術(shù)/ 方案是萬(wàn)能的，我們需要根據需求去定制。

目前， 功率開(kāi)關(guān)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200V 的應用。超級結MOSFET 是它的延伸，旨在實(shí)現更高的電壓，具有相對快速的開(kāi)關(guān)特性。IGBT 可看作是雙極結晶體管和MOSFET 的混合體，它的開(kāi)關(guān)波形較慢，但很適合硬開(kāi)關(guān)拓撲結構，用于大功率應用。

如今，在應用于特定電源應用時(shí)，包括碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）在內的廣義上的寬禁帶（WBG）技術(shù)已發(fā)展到每項指標都可挑戰硅FET 和IGBT。WBG帶來(lái)的主要優(yōu)勢之一是其在高頻下高效開(kāi)關(guān)的能力，這可直接轉化為電源中更小的無(wú)源、磁性元件。另一個(gè)優(yōu)勢是其相對沒(méi)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(shí)現全新的架構。

WBG 功率晶體管的開(kāi)發(fā)為OEM 廠(chǎng)商提供了更廣泛的開(kāi)關(guān)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(yōu)勢，實(shí)際上還實(shí)現了全新的用電方式。圖騰柱PFC 拓撲結構是個(gè)很好的例子，若選用WBG 器件則會(huì )更有益和可行。

圖1 功率半導體技術(shù)滿(mǎn)足所有現有的和新興的應用

從目前的許多應用來(lái)看，幾乎所有領(lǐng)域都表現出對電力電子的強烈需求。在汽車(chē)行業(yè)，動(dòng)力總成的功能電子化趨勢仍在繼續。隨著(zhù)混合動(dòng)力汽車(chē)和純電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展，需要AC-DC 和DC-DC 轉換用于車(chē)載電池充電和電動(dòng)機驅動(dòng)?，F在，可再比重，且這一比重還將不斷增長(cháng)。在光伏發(fā)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(wǎng)使用。一個(gè)補充的應用領(lǐng)域是利用電池儲能來(lái)穩定對電網(wǎng)的需求。該技術(shù)正在取代能效較低的燃煤和天然氣發(fā)電機，因為這些發(fā)電機每次上線(xiàn)時(shí)都需要進(jìn)行物理旋轉來(lái)提速，通常用于相對短時(shí)間運行的應用。

電力的生產(chǎn)方式正在從化石燃料轉向可再生的“綠色”能源，如太陽(yáng)能、風(fēng)能和波浪能。這些自然能源比能源行業(yè)所使用的資源如天然氣和燃煤的合規性要低。這在過(guò)去意味著(zhù)每瓦特的成本更高，不過(guò)現在這種情況正在改變。更高效的電力電子技術(shù)是太陽(yáng)能和風(fēng)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(shù)的不斷進(jìn)步意味著(zhù)可再生能源現在更加可行，并將在未來(lái)的電氣化系統中發(fā)揮更大的作用。

1   高能效是推動(dòng)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(shí)，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(shuō)最重要的也在于能效。

運行中的電源（發(fā)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(méi)有意義。業(yè)界預計，將有數百億臺新設備上線(xiàn)作為物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的一部分，而我們卻沒(méi)有看到發(fā)電機數量的相應增長(cháng)。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(guān)重要。

IoT 無(wú)疑將帶來(lái)大量的新設備，但實(shí)際上，有更多的設備已經(jīng)投入使用并消耗電力，還有相當數量的設備正在開(kāi)發(fā)或生產(chǎn)。雖然不是所有這些設備都將聯(lián)接到全球數據網(wǎng)絡(luò )，但它們將以某種方式成為國家電力網(wǎng)絡(luò )的負荷。這些設備中的每一個(gè)所表現出的低能效都會(huì )導致總的電力損耗，或者說(shuō)，每天每分鐘都會(huì )有能量以熱量的形式散失。為應用選擇最佳的開(kāi)關(guān)技術(shù)，這些損耗可降到最低。

WBG 技術(shù)的主要特點(diǎn)，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(diǎn)有利于其以比傳統硅基功率晶體管更高的頻率開(kāi)關(guān)。它們還表現出較低的導通電阻，這在電源電路中至關(guān)重要，因為大部分的損耗在這里以熱量的形式發(fā)生。

例如，GaN 晶體管能以MHz 的頻率開(kāi)關(guān)幾十kW。其高開(kāi)關(guān)頻率使GaN 晶體管對RF 發(fā)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(kāi)關(guān)高壓的能力。同樣，SiC 在開(kāi)關(guān)速度和電壓方面也優(yōu)于硅FET 和IGBT。SiC 和GaN技術(shù)在品質(zhì)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(kāi)關(guān)應用中各有設計優(yōu)勢。

WBG 的優(yōu)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(mén)極驅動(dòng)方案。有利的是，這些技術(shù)的供應鏈正在迅速發(fā)展。安森美半導體現在為所有這些技術(shù)制定了戰略，包括硅FET、IGBT、SiC 和GaN，以及專(zhuān)門(mén)為支持SiC 和GaN 而設計的相應門(mén)極驅動(dòng)器。

2   結束語(yǔ)

電子行業(yè)很清楚，能量轉換始終會(huì )以熱的形式產(chǎn)生一定程度的損耗。然而，更高效的功率半導體的不斷發(fā)展正使逆變器和轉換器的開(kāi)關(guān)損耗接近絕對最小?，F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(shù)的持續投資使之處于有利地位，可很好地滿(mǎn)足這一需求。

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志社2021年5月期）