寬帶隙（WBG）半導(dǎo)體器件的集成在多種技術(shù)應(yīng)用中作為硅技術(shù)的替代品是一個不斷增長的市場，它可以提供效率和功率密度的改進，這對能源和成本節(jié)約有很大的影響［1］。WBG具有顯著優(yōu)勢，例如更高的開關(guān)頻率、更低的功率損耗和更高的功率密度。繼續(xù)閱讀以了解有關(guān)基于WBG的半導(dǎo)體器件的廣泛應(yīng)用的更多信息。

概述

WBG材料將推動未來應(yīng)用領(lǐng)域的高性能，如圖1所示。在某些情況下，與GaN相比，某些關(guān)鍵應(yīng)用從SiC中受益更多，但大多數(shù)情況下，很明顯，它們從基于WBG材料的實施中受益比傳統(tǒng)的基于硅的對應(yīng)物更多。除了圖中所示的應(yīng)用之外，一些應(yīng)用還包括太陽能解決方案、單相組串式逆變器、三相組串式逆變器、利用風力發(fā)電、輔助電源、核心電源、熱插拔、服務(wù)器機架電源。其他一些應(yīng)用是交通電氣化解決方案，如電動汽車輔助電源、牽引逆變器、電動汽車充電、起動發(fā)電機和車載充電器。

圖1.寬帶隙半導(dǎo)體器件的應(yīng)用［4］。

寬帶隙（WBG）器件的應(yīng)用

基于WBG的設(shè)備的高影響機會是巨大的。應(yīng)用領(lǐng)域包括約占美國總電力需求40%的電機驅(qū)動器。據(jù)估計，目前安裝的電動機中有40%到60%可以受益于能夠有效適應(yīng)速度和扭矩需求的變頻驅(qū)動器（VFD）［1］。根據(jù)應(yīng)用的不同，采用VFD可以將能耗降低10%到30%。眾所周知，用于高功率應(yīng)用的傳統(tǒng)VFD體積龐大且占用大量空間。通過使用基于WBG的VFD，可以提高尺寸、功率密度和效率，同時降低整體系統(tǒng)成本。

據(jù)了解，2014年數(shù)據(jù)中心的能源消耗約占美國總用電量的2%。大多數(shù)現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心的電力輸送架構(gòu)由工頻變壓器、低壓配電網(wǎng)絡(luò)、集中式備份單元和低效的電壓調(diào)節(jié)器。用于提高能源效率的策略包括從集成低損耗功率轉(zhuǎn)換器到重新設(shè)計供電網(wǎng)絡(luò)。然而，供電網(wǎng)絡(luò)的完全重新設(shè)計涉及在空間有限且必須進行適當熱管理的機架級轉(zhuǎn)換更高電壓。

航空航天工業(yè)是基于WBG的設(shè)備可以發(fā)揮作用的另一個領(lǐng)域。眾所周知，更長、更薄、更輕的機翼相對于目前的商用飛機可以減少50%的油耗和碳排放。實現(xiàn)這一目標將每年減少大量能源，但需要一種需要機電致動器的變革性機翼設(shè)計［3］。預(yù)計這些產(chǎn)品體積小、重量輕，可在較寬的溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定運行。此外，電氣化可以減輕重量并提高效率。基于WBG的轉(zhuǎn)換器也為在航空運輸行業(yè)實現(xiàn)顯著節(jié)能提供了途徑。

在可再生能源集成（主要是太陽能和風能）等基于電網(wǎng)的應(yīng)用中，以及高壓直流（HVDC）和柔性交流輸電系統(tǒng)（FACTS）等新興領(lǐng)域中，需要使用功率調(diào)節(jié)器來控制流量電。這是通過以最適合負載的形式提供電壓和電流來實現(xiàn)的。傳統(tǒng)的硅基電力電子設(shè)備造成這些應(yīng)用中產(chǎn)生的所有電力損失大約4%，并被認為是已安裝系統(tǒng)的主要故障點。新型基于WBG的電子電路通過在更高的開關(guān)頻率下運行，從而降低了無源元件的尺寸并降低了整個系統(tǒng)的占位面積，從而提供了一條降低系統(tǒng)級成本的途徑。此外，這些電路將通過允許光伏陣列在更高電壓下運行來提高系統(tǒng)級效率。這反過來將使直流系統(tǒng)具有更少的電壓轉(zhuǎn)換或變壓器，從而用DC-DC轉(zhuǎn)換器取代傳統(tǒng)的匯流箱［4］。