宽禁带半导体在电动汽车及其他领域的应用

在电力电子技术中，硅在过去的四十年里已经成为主流技术；今天，硅功率晶体管和二极管的应用非常广泛和普及，基于这种材料的设备在我们的生活中无处不在。这种采用使得硅能够在创新的封装和互连技术的支持下进行持续改进，从而增强热管理并减少寄生效应。由于这种对改进的不懈追求，我们正在达到一个瓶颈，进一步的技术迭代也很难产生质的变化。

氮化镓和碳化硅（如氮化硅）等材料的应用证明是一种很好的替代品。这两种技术的吸引力在于它们能够在更高的电压下工作，而不会影响状态性能；它们可以处理更高的温度，并且可以在更高的频率下工作。它们的物理和电气特性使其能够达到无与伦比的小型化、可靠性和功率密度，所有这些都是高要求应用中的必要特性，如电动汽车（EV）逆变器和充电器、数据中心转换器和工业驱动器，仅举几例。

SIC MOSFET和GaN-HEMTs（高电子迁移率晶体管）在很大程度上是互补的，因为它们各自解决了不同的应用。电动汽车受益于大规模采用这两种技术，SiC MOSFET及其在650V和1600V之间工作的能力，是牵引逆变器、DC-DC变换器和OBC的理想选择。在650V到100V的电压下工作，GaN由于其更高的频率性能，随着它变得更加成熟和经济高效，它最终也可能成为后两种应用的一种有价值的技术。

SiC MOSFET相对于IGBT（外加自由轮二极管）等硅解决方案的优势可以通过比较在10kHz下运行的210kW逆变器的总芯片面积和损耗来量化，这需要1200V开关。根据负载的不同，效率增益从3%到8%不等。更令人印象深刻的是，它在5倍更小的芯片面积上实现了更好的效率。

另一个有趣的基准可以在半桥LLC转换器中使用GaN。这种拓扑结构使磁性部件具有高度的集成度，从而导致更高的效率和功率密度，使其适用于多种功率转换应用。这次的硅开关是一种高压MOSFET在超级结（SJ）技术。下一个示意图显示了电路的效率曲线。基准测试在500kHz下进行，这对于GaN来说足够高以证明其优越的性能。虽然这两种产品的电学特性（击穿电压和导通电阻）非常相似，但GaN芯片面积比超级结MOSFET小75%，栅电荷降低70%，输入电容Ciss小10%。

图1：半桥LLC转换器

结论

由于其物理和电学特性以及工业化，宽带隙半导体正逐步实现高效率和小型化。STPOWER系列的SiC和GaN的WBG相互补充，使设计者能够覆盖更多的应用领域。ST的SiC产品是汽车电气化的主要驱动力，事实证明，它是硅产品的一种可行和可靠的替代品，可确保从给定的电池组获得更大的里程数，缓解所谓的“距离焦虑”。STPOWER-GaN-HEMT是另一种有吸引力的技术，它可以在100V左右的较低电压下使用，同时在硅方面仍能提供无与伦比的性能改进。