由於多年的研發和創新，電子行業中的某個部門常常每隔一段時間就會獲得重大的技術進步。最近，
電力電子領域即從半導體工藝技術的創新中受益匪淺，並推動了寬帶隙（WBG）器件的發展。幾十年來，矽一直是首選的半導體材料。但是，對其他化合物半導體材料，尤其是對碳化矽（SiC）和氮化鎵（GaN）的研究導致更高效，更小巧且更堅固的半導體器件，從而為功率轉換和馬達驅動等應用注入了新的活力，並帶來了顯著的性能優勢。
在半導體物理中，帶隙是指固態材料中價帶（valenceband）和導帶（conductionband）之間的能量範圍，在其中不存在任何電態（electricalstate）。跨越帶隙需要電子擁有足夠的能量（以電子伏特（eV）為單位），以實現傳導並產生電流。帶隙屬性相對較低的材料通常都是半導體，帶隙屬性較高的材料則為絕緣體。例如，矽的帶隙特性為1.1eV，而氮化鎵和碳化矽的帶隙值相似，範圍在3.2eV～3.4eV之間，大概是矽的三倍，由這些複合材料製成的功率半導體器件（例如MOSFET和JFET）更適合於馬達柵極驅動器和開關電路等高壓應用。高帶隙值還能夠實現較低的洩漏電流，而高電子飽和速度則允許器件在高開關頻率下工作。
碳化矽和氮化鎵等寬帶隙材料與矽之間的其他電氣差異還包括介電擊穿電壓明顯較高，以及較高的電子遷移率。相比矽的約0.3MV/cm，SiC與GaN的擊穿電壓分別為3.5MV/cm和3.3MV/cm，這表明寬帶隙器件的擊穿電壓特性至少比矽器件好十倍。
電子遷移率是表徵電子在化合物半導體中移動速度的一個指標，它突顯了SiC和GaN之間的差異以及它們分別適合的應用。GaN的電子遷移率為2000cm^2/Vs，而矽為1500cm^2/Vs。但是，SiC的電子遷移率要慢得多，大約為650cm^2/Vs，因而不適用於高速開關應用。但是，GaN的電子遷移率是SiC的三倍，適合在更高的開關頻率下工作。
寬帶隙器件的技術優勢
熱導率是會影響高功率轉換和馬達驅動應用的另一個物理特性。器件內產生的熱量需要儘可能高效地傳導出去，而導熱率指標則表示材料通過自身進行熱量傳導的效率。就該指標而言，氮化鎵的導熱能力略低於矽，但碳化矽的導熱效率卻是矽的三倍，因此非常適合高溫應用。
圖1：碳化矽和氮化鎵寬帶隙材料與矽器件的電氣和物理特性比較。（來源：貿澤電子）
寬帶隙化合物半導體的另一個重要特性是其導通電阻（Rds（on）明顯低於矽基MOSFET，從而能夠降低功率轉換應用中的開關損耗，而其他部分開關損耗則發生在功率轉換器中使用的相關被動元件，例如電感器，變壓器和電容器等。
而且，SiC和GaN器件的物理結構比相應的矽器件體積更小、重量更輕，從而可以實現更緊湊，更輕巧的半導體器件。由於具有尺寸較小晶片，器件內部電容的影響減小，從而允許更快的開關頻率。例如，對於相同的工作電壓範圍，矽MOSFET的晶片面積大約是SiCMOSFET的五倍。
憑藉以上優勢，寬帶隙半導體器件非常適合於功率轉換和馬達驅動應用。這些優勢之間彼此相互關聯，共同作用有助於實現更高能效、體積更緊湊和功能更強大的應用。氮化鎵和碳化矽之間的差異還決定了哪種寬帶隙材料更加適合於某個特定應用。例如，SiC具有出色的導熱性，因而適合用於高溫系統。
在基於GaN和SiC器件的電路中，由於能夠工作在更高的開關頻率，可以使用更小的電感器和電容器，從而進一步節省了PCB空間和材料清單成本。
實際應用中的寬帶隙功率轉換
現在，可以從多家供應商處獲得各種封裝尺寸、工藝技術和額定電壓的寬帶隙器件，這些供應商包括英飛凌（Infineon），意法半導體（STMicro）和羅姆（Rohm）等。除了器件本身之外，評估板和參考設計也有助於加快原型設計和最終產品開發的速度。
英飛凌的CoolSiC和CoolGaN產品系列可以分別提供SiC和GaN器件。
CoolSiC系列器件的一個示例是1700VSiC溝道MOSFET，該器件經過優化，可用於反激式轉換器拓撲結構，具有非常低的開關損耗，並且與大多數12V控制器驅動器IC兼容。該MOSFET採用TO-2637L表面貼裝格式，漏極與源極之間的爬電距離為7mm，確保可以輕鬆滿足最終產品的安全標準。此外，單獨的驅動器源極引腳有助於減少通常由柵極環路寄生電感引起的柵極振鈴（gateringing）。
上述英飛凌CoolSiCMOSFET器件還可提供參考板設計RREF_62_FLY_1700_SiC，可幫助工程師使用三相單端反激式轉換器拓撲架構開發輔助
電源，參見圖2。
圖2：採用1700V英飛凌CoolSiCMOSFET的REF_62W_FLY_1700V_SiC參考板。（來源：英飛凌）。
在典型操作中，參考板以準諧振模式（QRM）工作，以將EMI噪聲的影響降至最低。當負載在滿功率的30％以上運行時，轉換器可以選擇切換到非連續傳導模式（DCM），最大工作頻率設置為130kHz。該評估板可提供+15V、-15V和+24V三個標稱輸出電壓。
參考板的其他功能包括可調節的輸出過壓保護、電流過載保護、過熱條件下的自動重啟以及Vin的過壓和欠壓保護。
英飛凌的CoolGaN產品系列包括一個600V增強模式，通常關閉的超快速開關功率電晶體IGOT60R070D1。
該器件的最大Rdson）額定值為70mΩ，適合於在高頻半橋圖騰柱功率因數校正（PFC）電路中使用。該電晶體具有低柵極電荷和低輸出電荷特性，非常適合工業、電信和數據中心等應用。
圖3所示為一個使用CoolGaNIGOT60R070D1器件的2500W全橋圖騰柱PFC演示板，其中顯示了在效率非常重要的應用中使用GaN技術實現高達99.2％能量轉換效率的優勢。圖騰柱PFC使用半導體開關而不是橋式整流器或單個二極體來構建高效的AC/DC轉換器，控制電路使用一個65kHz恆定PWM開關頻率和一個連續導通模式控制器IC。
圖3：英飛凌CoolGaN2500W全橋圖騰柱PFCAC/DC轉換器演示板。（來源：英飛凌）
意法半導體的寬帶隙產品陣容包括650V和1200V碳化矽MOSFET，參見圖4。產品示例包括SCTW70N120G2V和SCTW100N65G。
圖4：意法半導體的碳化矽MOSFET產品組合。（來源：意法半導體）
SCTW70N120G2V是一款採用HiP247封裝構建的1200V器件，其Rds（on）為21mΩ，可承受91A的最大漏極電流。該MOSFET集成了一個快速且牢固的體二極體，並且具有較低的柵極電荷和輸入電容。SCTW70N120G2V適用於各種DC-DC轉換器、充電器和可再生
能源系統等應用。
意法半導體另一款SiCMOSFET是SCTW100N65G，該650V、100A寬帶隙半導體器件為汽車級，經過AEC-Q101認證，其Rds（on）為20mΩ。意法半導體的這兩款MOSFET均可適用於結溫為200℃的高溫應用。
羅姆半導體（ROHMSemiconductor）可提供大功率碳化矽MOSFET，其中一款產品為SCT3033KLGC11。這款1200V、95A的器件其Rds（on）為22mΩ，最大結工作溫度為175℃。該器件的應用包括範圍廣泛的功率轉換、太陽能逆變器和馬達控制設計等。
我們這裡介紹的最後一款產品是來自GaNSystems公司GS6100x系列的100VGaN增強型電晶體。GS61004B器件採用底側冷卻方法，其Idsmax）為38A，Rds（on）可低至18mΩ，能夠容許高於10MHz的開關頻率。GaNSystems提供的全橋式評估板GS61004B-EVB-CD集成了兩個GS61004B電晶體。
結論
寬帶隙半導體預示著業界能夠達到新的能效水平和更高的開關頻率，同時容許馬達柵極驅動和功率轉換電路具有更高的工作溫度。採用基於碳化矽和氮化鎵的MOSFET和電晶體器件，以及互相補充的設計資源，現在可以幫助工程師實現下一代設計集成。