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为您的应用选择最佳的宽带隙(WBG)技术

作者: 浮思特科技2024-05-29 14:07:19

  宽带隙 (WBG) 技术在汽车应用领域获得了广泛关注,包括电动汽车 (EV) 充电,尽管如此,它们的特性使其适用于广泛的能源管理基础设施场景。无论何种应用,电力电子都旨在为负载提供最大功率。两个主要挑战是系统的热管理和开关损耗。

  您可以通过改善热传导和散热或减少开关损耗来应对这些挑战。碳化硅 (SIC) 和氮化镓 (GaN) 都是 WBG 技术,已成为传统硅 (Si) 半导体的可行替代品。

宽带隙

  什么是宽带隙?

  物理学家将材料的带隙定义为导带最低未占据状态与价带最高占据状态之间的能量差。当受到能量激发时,价带中的电子可以跃迁到导带。带隙决定了电子从价带移动到导带需要多少能量。

  SiC 和 GaN 最有可能取代硅

  传统硅材料的带隙通常在 1.5 eV 范围内。在 WBG 半导体中,带隙更宽,因此得名。GaN 的带隙为 3.2 eV,而 SiC 的带隙为 3.4 eV。

  WBG 半导体功率器件可以在更高的电压、温度和功率下工作。这些特性使其成为汽车应用和其他储能用例的理想选择。

  SiC 和 GaN 不仅与传统硅不同,而且彼此之间也存在差异。这些差异在决定在电力应用中使用哪一种时很重要。

  SiC 在可靠性和散热方面得分很高

  SiC 功率半导体的主要优势在于其出色的栅极氧化物可靠性。SiC 采用垂直晶体管概念,而 GaN 晶体管与大多数硅器件一样具有横向传导。

  SiC 的其他优势包括通过小型化进步提高效率、降低冷却要求以及与电力应用的 Si 相比降低总体系统成本。

  由于热性能高,SiC 的热效率极高,因此在电动汽车车载充电器 (OBC) 中大放异彩。SiC 采用垂直晶体管,在 OBC 中,热量通过晶体管消散。当热量到达 SiC 层时,它会均匀分散 — 只有钻石才能做得更好(这是一项昂贵的提议)。

  OBC 是一种应用示例,其中需要将最大功率安全地泵入有限空间,而不会使晶体管过热。SiC 是 OBC 的理想选择,因为它位于密封的、狭窄的空间中,热量是一个因素。散热使 OBC 能够更快地为车辆充电,同时控制狭小空间内的热量。

  随着车辆到电网 (V2G) 和车辆到家庭 (V2H) 应用变得越来越广泛,快速充电电动汽车基础设施的普及需要将设备放置在许多不同的环境中,而这两个领域正是 SiC 擅长的领域。

  除了电池充电之外,SiC 在高功率环境中耗散的能力还扩展到其他能源管理基础设施,例如太阳能存储系统。

  GaN 提供高密度和快速开关

  GaN 是一种横向晶体管,支持快速切换,非常适合需要高功率密度的应用。SiC 可在 IC 级别提供密度,而 GaN 可在电路板级别实现更高的功率密度。

  在电源应用中,GaN 可实现更快的开关速度,从而降低开关损耗。作为快速开关电源的副产品,更高的频率可减小磁性元件的尺寸,从而降低电路板密度并提高系统效率。

  由于 GaN 在电路板层面具有有效密度和快速切换的特点,因此它是消费电子产品充电用例的绝佳选择,这些用例的目标是从低功耗状态快速充电至满功率。应用示例包括笔记本电脑的电池充电器和 USB-C 型壁式插头。GaN 的另一个理想应用是数据中心的开关电源。

宽带隙

  选择最佳宽带隙解决方案

  您可能认为选择您喜欢的 WBG 技术并坚持使用它是最佳选择,但您可能希望根据应用混合搭配 SiC 和 GaN。您也可以继续使用传统硅,因为它仍然有其用武之地。

  如上图所示,SiC 非常适合最高功率应用,但开关频率有限。GaN 更适合高频开关应用。

  采用 SiC 可以帮助您管理热性能,而 GaN 可以将开关损耗降至几乎为零。通过联系供应商,您可以简化对众多应用场景进行分类并选择合适的 WBG 技术的过程,供应商可以概述可用的选项并帮助您为您的应用选择最佳选项。

  鉴于 WBG 技术的众多用例以及对传统硅片的持续需求,GaN 或 SiC 不太可能成为唯一的首选技术。浮思特对 WBG 的态度是引导客户选择最适合其功率需求并最大化性能的产品。

浮思特科技专注功率器件领域,为客户提供IGBTIPM模块等功率器件以及MCU和触控芯片,是一家拥有核心技术的电子元器件供应商和解决方案商。

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