能源需求正在增加

“節(jié)約能源”是我們都熟悉的口頭禪，但全球需求不會(huì)很快下降。據(jù)工業(yè)能源協(xié)會(huì)稱，到 2040 年，這一比例將從 2018 年的水平增加約 50%。樂(lè)觀地說(shuō)，只有三分之二的增長(zhǎng)來(lái)自可再生能源。一些心理體操告訴我們，這意味著來(lái)自化石燃料的實(shí)際數(shù)量保持不變。您可能認(rèn)為，未來(lái)?yè)碛懈嗫稍偕茉匆馕吨D(zhuǎn)換過(guò)程的效率將變得不那么重要。例如，無(wú)論您是否攔截太陽(yáng)能并將其轉(zhuǎn)化為電能，太陽(yáng)能都會(huì)使環(huán)境變暖，并最終加熱負(fù)載。能源損失仍然是不必要的花費(fèi)，尤其是在當(dāng)前可再生能源成本較高的情況下，因此石油和天然氣仍與太陽(yáng)能、風(fēng)能、

電源轉(zhuǎn)換：效率挑戰(zhàn)

使用諧振轉(zhuǎn)換技術(shù)的現(xiàn)代設(shè)計(jì)現(xiàn)在非常有效，以至于進(jìn)一步改進(jìn)基本元件特性，特別是半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)。理想情況是它們?cè)凇伴_(kāi)關(guān)模式”設(shè)計(jì)中“關(guān)閉”或“打開(kāi)”，只要“打開(kāi)”確實(shí)是短路，在任何一種情況下都不會(huì)耗散功率。事實(shí)上，即使是幾毫歐的導(dǎo)通電阻也會(huì)造成重大損失，并且隨著晶體管在導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)之間轉(zhuǎn)換，它會(huì)產(chǎn)生一些瞬態(tài)耗散。瞬態(tài)耗散水平可能會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到千瓦級(jí)。因此，保持低損耗意味著降低導(dǎo)通電阻并加快器件開(kāi)關(guān)速度，從而縮短瞬態(tài)耗散持續(xù)時(shí)間，并獲得更低的平均值。氮化鎵 (GaN)本質(zhì)上更好，現(xiàn)在是進(jìn)一步提高效率的巨大希望。

SiC 和 GaN 寬帶隙器件縮小效率差距

與硅 (Si) 相比，SiC 和GaN在原子級(jí)別上完全不同。寬帶隙是指將材料中的電子從“價(jià)帶”移動(dòng)到“導(dǎo)帶”以供電流流動(dòng)所需的能量。SiC 和 GaN 的價(jià)值大約是 Si 的兩倍，對(duì)用這些材料制造的器件的影響是巨大的。導(dǎo)通電阻更低，開(kāi)關(guān)速度更快，工作溫度更高，管芯面積更小，特別是對(duì)于 SiC，導(dǎo)熱性遠(yuǎn)好于 Si 或 GaN。這意味著作為一種組合，散發(fā)的熱量更少，剩下的熱量被有效地帶走，從而制造出更小、更高效的設(shè)備。還有一些連鎖反應(yīng)：更高的效率意味著更少的外部冷卻；更快的切換允許其他系統(tǒng)組件縮小尺寸，降低成本和產(chǎn)品尺寸；驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)所需的功率遠(yuǎn)低于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的 Si 器件；SiC 和 GaN 本質(zhì)上是抗輻射的 (rad-hard)。這與它們的高溫操作能力一起，使它們適用于航空航天應(yīng)用。那么，有什么不喜歡的呢？

寬帶隙半導(dǎo)體的應(yīng)用正在加速

設(shè)計(jì)人員喜歡 SiC 和 GaN，但有一些警告：由于它們是新技術(shù)，成本不可避免地會(huì)更高。這些正在減少，制造商已經(jīng)聲稱，如果將系統(tǒng)節(jié)省考慮在內(nèi)，整體生命周期成本會(huì)更低。此外，驅(qū)動(dòng)設(shè)備比使用 Si 更為關(guān)鍵，在某些情況下，用戶在進(jìn)行更改之前等待更多的可靠性數(shù)據(jù)來(lái)自更成熟的 Si 技術(shù)。

與此同時(shí)，SiC 和 GaN 器件制造商正在沿著進(jìn)化之路穩(wěn)步前行，寬帶隙技術(shù)被認(rèn)為還有一段路要走。導(dǎo)通電阻在降低，額定電壓在增加，新穎的封裝布置被用來(lái)最大限度地利用器件性能，并且實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)可靠性數(shù)據(jù)在不斷積累。即使是敏感的柵極驅(qū)動(dòng)問(wèn)題也可以通過(guò)與 Si MOSFET 共同封裝的 SiC 或 GaN 器件的共源共柵布置來(lái)解決，以獲得世界上最好的結(jié)果。

SiC 和 GaN 有望成為半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的未來(lái)，其效率增益接近實(shí)際互連設(shè)定的理論極限。直到目標(biāo)再次移動(dòng)，電源工程師從帽子里拉出另一只寬帶隙兔子。

Paul Lee 是 200 多篇關(guān)于電源主題的文章和博客的作者，也是一本關(guān)于電源設(shè)計(jì)技術(shù)的書(shū)：“電源說(shuō)明”。作為一名特許工程師并擁有電子學(xué)學(xué)位，Lee 曾擔(dān)任 Murata Power Solutions 的工程總監(jiān)，并管理著歐洲電源制造商協(xié)會(huì)。

審核編輯黃宇