能量需求不斷攀升

 

“節(jié)約能源”是我們都非常熟悉的口號(hào)，但全球能源需求短期內(nèi)并不會(huì)下降。工業(yè)能源協(xié)會(huì)認(rèn)為，到2040年，能源需求將比2018年增加約50%。樂觀地說，只有三分之二的增長(zhǎng)是來自可再生能源。經(jīng)過簡(jiǎn)單的計(jì)算就可以知道，這意味著來自化石燃料的實(shí)際能量基本保持不變。你可能會(huì)認(rèn)為，未來可再生能源的增加會(huì)讓能源轉(zhuǎn)換效率變得不那么重要。比如，無(wú)論你是否攔截太陽(yáng)能并將其轉(zhuǎn)化為電能，太陽(yáng)能都能使環(huán)境變暖，并最終為負(fù)載提供熱量。能量損失仍然是不必要的支出，特別是在目前可再生能源成本較高的情況下。因此在可預(yù)見的未來，石油和天然氣仍會(huì)與太陽(yáng)能、風(fēng)能和其他能源混合使用，從能源到負(fù)載的能量轉(zhuǎn)換效率仍然是主要問題。

對(duì)于采用諧振轉(zhuǎn)換技術(shù)的現(xiàn)代設(shè)計(jì)，現(xiàn)在的能量轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)很高，進(jìn)一步的改善已經(jīng)深入到了基本元件特性，特別是半導(dǎo)體開關(guān)。理想情況是，在“開關(guān)模式”設(shè)計(jì)中，這些開關(guān)要么是“關(guān)”，要么是“開”，無(wú)論哪種情況，只要“開”真的是短路，就不會(huì)消耗電力。而現(xiàn)實(shí)情況是，即便幾毫歐姆的導(dǎo)通電阻也會(huì)造成顯著的損耗。當(dāng)晶體管在開/關(guān)狀態(tài)之間切換時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生一些瞬態(tài)損耗。 瞬態(tài)損耗有可能在很短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到千瓦級(jí)。因此，保持低損耗意味著要降低導(dǎo)通電阻，加快器件開關(guān)速度，從而使瞬態(tài)損耗持續(xù)時(shí)間更短，平均值更低。傳統(tǒng)的硅基開關(guān)，如IGBT和MOSFET，正在不斷改進(jìn)，但新材料如碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN)在材質(zhì)特性上更勝一籌，現(xiàn)在有很大希望在能量轉(zhuǎn)換效率上更進(jìn)一步。

 

SiC和GaN寬禁帶器件縮小了效率鴻溝

 

SiC和GaN在原子級(jí)別上就與硅 (Si) 截然不同。寬禁帶是指材料中的電子從“價(jià)帶”躍遷到“導(dǎo)帶”以實(shí)現(xiàn)電流流動(dòng)所需的能量。SiC和GaN所需的能量值大約是Si的兩倍，這對(duì)用SiC和GaN材料制作的器件影響非常大。SiC和GaN的導(dǎo)通電阻更低，開關(guān)速度更快，適應(yīng)的工作溫度更高，芯片面積更小，特別是SiC，其熱導(dǎo)率遠(yuǎn)優(yōu)于Si和GaN。這意味著它們組合使用，生成的熱量會(huì)更少，而多余的熱量會(huì)被高效散出，從而成就尺寸更小、更高效的器件。另外，還有一些連鎖反應(yīng)的好處：更高的轉(zhuǎn)換效率意味著更少的外部冷卻；更快的開關(guān)速度允許其他系統(tǒng)組件縮小尺寸，降低成本和產(chǎn)品尺寸；驅(qū)動(dòng)開關(guān)所需的功率遠(yuǎn)低于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手Si器件；碳化硅和氮化鎵本身就具有抗輻射能力 (rad-hard)。這些優(yōu)點(diǎn)再加上其耐高溫優(yōu)勢(shì)，使其非常適合航空航天應(yīng)用。那么，有什么理由不受追捧呢？

 

寬禁帶半導(dǎo)體的應(yīng)用正在加速對(duì)的

 

設(shè)計(jì)師們喜歡SiC和GaN，不過要提醒的是：作為新技術(shù)，其成本也不可避免地更高一些。這些成本現(xiàn)在已經(jīng)在逐步降低，制造商們聲稱，如果考慮到它們給整個(gè)系統(tǒng)帶來的節(jié)約，其生命周期的總體成本其實(shí)更低。另外，它們?cè)隍?qū)動(dòng)設(shè)備方面比Si更挑剔。在有些情況下，用戶要等到更多的可靠性數(shù)據(jù)后才會(huì)從更成熟的Si技術(shù)遷移過來。

 

與此同時(shí)，SiC和GaN器件制造商正在穩(wěn)步革新，寬禁帶技術(shù)被認(rèn)為還有一段路要走。導(dǎo)通電阻減小，額定電壓提高，創(chuàng)新型封裝結(jié)構(gòu)被用來最大限度地發(fā)揮器件的性能，實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)的可靠性數(shù)據(jù)也在不斷累積。即便是敏感的柵極驅(qū)動(dòng)問題也已用與Si MOSFET封裝在一起的SiC或GaN器件的共源共柵結(jié)構(gòu)解決。

 

SiC和GaN有望成為半導(dǎo)體開關(guān)的未來，其效率增益正在接近實(shí)際互連設(shè)定的理論極限。對(duì)于電源工程師來說，要等到目標(biāo)再次發(fā)生變動(dòng)，才會(huì)祭出另一個(gè)寬禁帶法寶。