如何使用宽禁带提升能量转换效率？

品慧电子讯“节约能源”是我们都非常熟悉的口号，但全球能源需求短期内并不会下降。工业能源协会认为，到2040年，能源需求将比2018年增加约50%。乐观地说，只有三分之二的增长是来自可再生能源。经过简单的计算就可以知道，这意味着来自化石燃料的实际能量基本保持不变。

能量需求不断攀升

“节约能源”是我们都非常熟悉的口号，但全球能源需求短期内并不会下降。工业能源协会认为，到2040年，能源需求将比2018年增加约50%。乐观地说，只有三分之二的增长是来自可再生能源。经过简单的计算就可以知道，这意味着来自化石燃料的实际能量基本保持不变。你可能会认为，未来可再生能源的增加会让能源转换效率变得不那么重要。比如，无论你是否拦截太阳能并将其转化为电能，太阳能都能使环境变暖，并最终为负载提供热量。能量损失仍然是不必要的支出，特别是在目前可再生能源成本较高的情况下。因此在可预见的未来，石油和天然气仍会与太阳能、风能和其他能源混合使用，从能源到负载的能量转换效率仍然是主要问题。

图片来源: Chaliya/Shutterstock.com

能量转换：效率问题

对于采用谐振转换技术的现代设计，现在的能量转换效率已经很高，进一步的改善已经深入到了基本元件特性，特别是半导体开关。理想情况是，在“开关模式”设计中，这些开关要么是“关”，要么是“开”，无论哪种情况，只要“开”真的是短路，就不会消耗电力。而现实情况是，即便几毫欧姆的导通电阻也会造成显著的损耗。当晶体管在开/关状态之间切换时，它会产生一些瞬态损耗。 瞬态损耗有可能在很短的时间内达到千瓦级。因此，保持低损耗意味着要降低导通电阻，加快器件开关速度，从而使瞬态损耗持续时间更短，平均值更低。传统的硅基开关，如IGBT和MOSFET，正在不断改进，但新材料如碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN)在材质特性上更胜一筹，现在有很大希望在能量转换效率上更进一步。

SiC和GaN宽禁带器件缩小了效率鸿沟

SiC和GaN在原子级别上就与硅 (Si) 截然不同。宽禁带是指材料中的电子从“价带”跃迁到“导带”以实现电流流动所需的能量。SiC和GaN所需的能量值大约是Si的两倍，这对用SiC和GaN材料制作的器件影响非常大。SiC和GaN的导通电阻更低，开关速度更快，适应的工作温度更高，芯片面积更小，特别是SiC，其热导率远优于Si和GaN。这意味着它们组合使用，生成的热量会更少，而多余的热量会被高效散出，从而成就尺寸更小、更高效的器件。另外，还有一些连锁反应的好处：更高的转换效率意味着更少的外部冷却；更快的开关速度允许其他系统组件缩小尺寸，降低成本和产品尺寸；驱动开关所需的功率远低于竞争对手Si器件；碳化硅和氮化镓本身就具有抗辐射能力 (rad-hard)。这些优点再加上其耐高温优势，使其非常适合航空航天应用。那么，有什么理由不受追捧呢？

宽禁带半导体的应用正在加速对的

设计师们喜欢SiC和GaN，不过要提醒的是：作为新技术，其成本也不可避免地更高一些。这些成本现在已经在逐步降低，制造商们声称，如果考虑到它们给整个系统带来的节约，其生命周期的总体成本其实更低。另外，它们在驱动设备方面比Si更挑剔。在有些情况下，用户要等到更多的可靠性数据后才会从更成熟的Si技术迁移过来。

与此同时，SiC和GaN器件制造商正在稳步革新，宽禁带技术被认为还有一段路要走。导通电阻减小，额定电压提高，创新型封装结构被用来最大限度地发挥器件的性能，实验室和现场的可靠性数据也在不断累积。即便是敏感的栅极驱动问题也已用与Si MOSFET封装在一起的SiC或GaN器件的共源共栅结构解决。

SiC和GaN有望成为半导体开关的未来，其效率增益正在接近实际互连设定的理论极限。对于电源工程师来说，要等到目标再次发生变动，才会祭出另一个宽禁带法宝。

（来源：贸泽电子，作者：Paul Lee，Murata Power Solutions的工程主管）

免责声明：本文为转载文章，转载此文目的在于传递更多信息，版权归原作者所有。本文所用视频、图片、文字如涉及作品版权问题，请电话或者邮箱联系小编进行侵删。

推荐阅读：
开关IC控制器的去耦旁路设计
了解无线路由器、网状网络和向Wi-Fi 6的过渡
一体化封装的高级系统让射频直接转换成为可能
罗克韦尔自动化发布《引领快速消费品的智能制造未来》白皮书
实现电动汽车电池管理系统无线化的BMS方案