電力電子將在未來幾年發展，尤其是對于組件，因為 WBG 半導體技術正變得越來越流行。高工作溫度、電壓和開關頻率需要 GaN 和 SiC 等 WBG 材料的能力。從硅到 SiC 和 GaN 組件的過渡標志著功率器件發展和更好地利用電力的重要一步。

與傳統硅 (Si) 相比，新型半導體材料碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 具有更好的導熱性、更高的開關速度和更小的物理器件。硅技術受到所使用的金屬氧化物半導體場效應晶體管 (MOSFET) 的寄生二極管的不良特性的影響，它會產生高電流峰值和高 EMI。寬帶隙 (WBG) 材料的導電和開關性能比 Si 好 10 倍左右。因此，WBG 技術代表了電力電子的自然應用，尤其是電動汽車，因為 SiC 和 GaN 組件可以更小、更快、更高效。

日益強大的電子元件

SiC 和 GaN 代表了對現有半導體技術的改進，例如 MOSFET 和隔離柵雙極晶體管 (IGBT)。在積極方面和改進中：

它們更低，確保更低的損失;

它們以更高的開關頻率工作;

它們可以承受更高的工作溫度;

它們在困難的環境中非常堅固;和

它們提供更高的擊穿電壓。

電子行業正朝著充電時間更短、損耗更低的大型高壓電池發展。因此，新材料非常有用。最初可用的 SiC 器件是簡單的二極管，但材料技術已經改進，可以生產 JFET、MOSFET 和雙極晶體管。

SiC 與 GaN

寬帶隙功率器件 很貴。因此，使用它們而不是另一種(更便宜的)技術的好處必須非常大。那會有什么好處，它是否足夠重要以使成本成為次要標準?GaN 出現在 SiC 之后。理論上，GaN 比 SiC 更快，并且允許更高的開關速度。但由于其高成本和可靠性問題，它的采用速度很慢。GaN 電壓目前限制在大約 650 V。SiC 電壓通常在大約 650 V 到 1,200 V 或更高。SiC廣泛用于元件生產，比GaN更便宜、更堅固、更可靠。從封裝的角度來看，SiC 器件采用 TO-247 和 TO-220 容器。即使在現有項目中，也可以快速簡單地更換組件，并具有許多直接優勢。相反，GaN 器件使用表面貼裝封裝，使用相應的限制。使 SiC 在工業系統中具有優勢的一個因素是過壓條件下的高可靠性。相反，對于 GaN 器件，不應超過最大電壓。

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應用

寬帶隙器件在高溫、高開關速度和低損耗下平穩工作。因此，它們非常適合軍事和工業應用。它們的主要用途是用于大功率的橋式電路，用于逆變器、D 類音頻放大器等。在大功率應用中，短路瞬變和浪涌的魯棒性是一個非常重要的問題。控制電動汽車中電機的逆變器是可以利用 WBG 設備的系統示例。逆變器的主要功能是將直流電壓轉換成三相交流波形來驅動汽車發動機。由于逆變器將電池能量轉換為交流電，因此轉換過程中的損耗越低，系統的效率就越高。與硅相比，SiC 器件具有更高的電導率和更高的開關頻率，從而降低了功率損耗，因為更少的能量以熱量的形式消散。最終，基于 SiC 的逆變器效率的提高將為電動汽車帶來更大的自主權。充當控制器和功率器件之間接口的關鍵元件是柵極驅動器。對于采用新器件的電子設計人員來說，柵極驅動器設計總是存在問題，因此了解如何驅動 SiC 和 GaN 功率器件非常重要。SiC MOSFET 晶體管必須在更高的柵極電壓下工作，并且必須具有高效的“dV/dt”才能實現快速開關時間。DC/DC 轉換器的設計還需要遵循新的組件，例如 SiC MOSFET。它們必須具有用于控制 SiC 驅動器的不對稱輸出。絕緣和寄生電容也是設計中需要考慮的非常重要的因素。了解如何驅動 SiC 和 GaN 功率器件非常重要。SiC MOSFET 晶體管必須在更高的柵極電壓下工作，并且必須具有高效的“dV/dt”才能實現快速開關時間。DC/DC 轉換器的設計還需要遵循新的組件，例如 SiC MOSFET。它們必須具有用于控制 SiC 驅動器的不對稱輸出。絕緣和寄生電容也是設計中需要考慮的非常重要的因素。了解如何驅動 SiC 和 GaN 功率器件非常重要。SiC MOSFET 晶體管必須在更高的柵極電壓下工作，并且必須具有高效的“dV/dt”才能實現快速開關時間。DC/DC 轉換器的設計還需要遵循新的組件，例如 SiC MOSFET。它們必須具有用于控制 SiC 驅動器的不對稱輸出。絕緣和寄生電容也是設計中需要考慮的非常重要的因素。

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SPICE 模型

采用 SiC 和 GaN 技術的電子元件在工業和商業層面都越來越受歡迎。出于這個原因，用于電子仿真的 SPICE 模型也在互聯網上傳播開來。在示例中，我們可以觀察到由 UnitedSiC 生產的組件 SiC FET UF3C065080T3S 的測試示意圖。該組件的電氣特性確實令人驚嘆：

漏源電壓(V DS)：650 V

柵源電壓 (V GS )：–25 V 至 25 V

連續漏極電流 (I D )：在 T C = 25°C — 31 A 時;在 T C = 100°C — 23 A

脈沖漏極電流 (I DM )：65 A

功耗(P tot)：190 W

最高結溫 (T Jmax )：175°C

漏源導通電阻 (R DS(on) )：80 mΩ

柵極電阻 (R G )：4.5 Ω

其典型應用有：

電動汽車充電

光伏逆變器

開關模式電源

功率因數校正模塊

電機驅動

感應加熱

圖 ：UF3C065080T3S 的測試電路，MOSFET SiC JFET

SPICE 測試非常密集。如曲線圖所示，我們可以看到該組件在 100 kHz 處切換其狀態。耗散功率非常高，但它的工作沒有任何問題。您可以在 Internet 上輕松找到 SPICE 模型，該模型包含在“.subckt UF3C065080T3S nd ng ns”和“.ENDS”語句中。

圖：電路不同點的 SPICE 仿真圖

隨著 SiC 和 GaN 技術的日益普及，市場上的產品和器件也越來越多，性能也越來越高。讓我們來看看其中的一些。

UnitedSiC 的 UF3SC120009K4S

此 SiC FET 器件基于獨特的“共源共柵”電路配置，其中常開 SiC JFET 與 Si MOSFET 共同封裝，以生產常關 SiC FET 器件。該器件的標準柵極驅動特性允許真正“直接替代”Si IGBT、Si FET、SiC MOSFET 或Si 超結器件。該器件采用 TO-247-4L 封裝，具有超低柵極電荷和出色的反向恢復特性，非常適合開關電感負載和任何需要標準柵極驅動的應用。一些特點如下：

典型導通電阻 (R DS(on),typ )：8.6 mW

最高工作溫度：175°C

出色的反向恢復

低柵極電荷

低固有電容

ESD 保護，HBM 2 類

TO-247-4L 封裝可實現更快的開關、清晰的柵極波形

其典型應用是電動汽車充電、光伏逆變器、開關模式電源、功率因數校正模塊、電機驅動和感應加熱。

該組件的電氣特性確實令人驚嘆：

漏源電壓 (V DS )：1,200 V

柵源電壓 (V GS )：–20 V 至 20 V

連續漏極電流 (I D )：120 A

脈沖漏極電流 (I DM )：550 A

功耗(P TOT)：789 W

最高結溫 (T J,max )：175°C

圖 ：UnitedSiC 的 UF3C065080T3S G3 SiC JFET

Power Integrations BridgeSwitch的半橋電機驅動器 是由 Power Integrations 提供的具有集成設備保護和系統監控功能的高壓、自供電、半橋電機驅動器系列。BridgeSwitch 系列集成半橋極大地簡化了高壓逆變器驅動的兩相或三相 PM 或 BLDC 電機驅動器的開發和生產。它將兩個高壓 N 溝道功率 FREDFET 與低側和高側驅動器集成在一個小外形封裝中。內部功率 FREDFET 提供非常適合硬開關逆變器驅動的超軟和超快速二極管。兩個驅動器都是自供電的，因此無需外部輔助電源。BridgeSwitch 提供獨特的瞬時相電流輸出信號，簡化了無傳感器控制方案的實施。低調的，緊湊型表面貼裝封裝可提供更長的爬電距離，并允許通過印刷電路板對兩個功率 FREDFET 進行散熱。BridgeSwitch 提供內部故障保護功能和外部系統級監控。內部故障保護包括 FREDFET 的逐周期電流限制和兩級熱過載保護。外部系統級監控包括具有四個欠壓電平和一個過壓電平的直流總線感應，以及驅動外部傳感器(如 NTC)。雙向總線單線狀態接口報告觀察到的狀態變化。內部故障保護包括 FREDFET 的逐周期電流限制和兩級熱過載保護。外部系統級監控包括具有四個欠壓電平和一個過壓電平的直流總線感應，以及驅動外部傳感器(如 NTC)。雙向總線單線狀態接口報告觀察到的狀態變化。內部故障保護包括 FREDFET 的逐周期電流限制和兩級熱過載保護。外部系統級監控包括具有四個欠壓電平和一個過壓電平的直流總線感應，以及驅動外部傳感器(如 NTC)。雙向總線單線狀態接口報告觀察到的狀態變化。

圖：Power Integrations 的半橋電機驅動器

這些絕對最大額定值：

HD 引腳電壓：–1.3 V 至 600 V

HB 引腳電壓：–15 V 至 600 V

直流輸出電流：BRD1X60C 1.0 A

直流輸出電流：BRD1X61C 1.7 A

直流輸出電流：BRD1X63C 3.0 A

直流輸出電流：BRD1X65C 5.5 A

結溫：–40°C 至 150°C

GS66508T：GaN Systems

的 650V 增強型 GaN 晶體管 GS66508T 是增強型 GaN-on-Si 功率晶體管。GaN 的特性允許高電流、高電壓擊穿和高開關頻率。GaN Systems 實施獲得專利的 Island Technology 單元布局，以實現高電流芯片性能和良率。GaNPX 封裝可在小型封裝中實現低電感和低熱阻。GS66508T 是一款頂部冷卻晶體管，可為要求苛刻的大功率應用提供極低的結殼熱阻。這些特性結合起來提供了非常高效的電源開關。其應用眾多：高效電源轉換、高密度電源轉換、AC/DC 轉換器、無橋圖騰柱 PFC、ZVS 移相全橋/半橋拓撲、同步降壓或升壓、不間斷電源、工業電機驅動器，單逆變器腿，太陽能和風能、快速電池充電、D 類音頻放大器、400V 輸入 DC/DC 轉換器、車載電池充電器和牽引驅動器。為了評估整個 GaN Systems 650-V 系列 GaN E-HEMT 產品，設計人員可以使用帶有子卡(單獨出售)的通用主板。

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結論

為滿足效率和功率密度要求，設計人員可以使用最先進的 WBG 半導體，例如 SiC 和 GaN。它們提供更高的開關頻率、低損耗、非常高的工作溫度和穩健性。

　　審核編輯：湯梓紅