功率器件的演变

2021-05-03 20:35:20 来源:EETOP
随着世界围内中产阶级的增长以及车辆、暖通空调和工业驱动的电气化推进,对电力的需求不断增加。每个电力阶段(发电、配电、转换和消费)的可达成效率决定了整个电力基础设施负担的增加程度。
在每个阶段,低效率的主要副产品是热量。在许多情况下,需要更多的能量来移除或处理这些热量。因此,减少每个阶段的废热产生可以产生重大影响。 
随着世界范围内中产阶层的增加,汽车、HVAC、产业用驱动的电动化的推进,电力需求不断增加。每个功率级(发电、配电、转换、消费)可实现的效率决定了整个功率基础架构的负担程度。在每个阶段,效率低下都会产生额外热量,这是主要的副产品。在许多情况下,需要更多的能量来消除或处置这种热量。因此,减少每个阶段的废热的产生具有重大影响。 
功率电子所产生的热,主要是在转换阶段产生的,大部分是由导通损耗和开关损耗引起的。半导体的效率越高,产生的热量就越少,能量的浪费也就越少。效率低的半导体产生的热量不适合使用,大部分都是不必要的,但是随着半导体技术和半导体材料的不断改良,效率不断提高,这样的发热也可以避免。 
在功率半导体继续发展的同时,它们在很大程度上受到终端市场需要的影响。今天,任何垂直领域、市场或应用都有其各自的电力需求。即使在几年前,这些不同的需求也必须用几乎相同的基础半导体技术--硅场效应管来满足。由于设备的限制,在所有情况下使用相同的技术只是导致更大或更小的损失,这取决于具体应用;一种技术并不能应对任何情况。 

图1:目前的功率半导体技术可以满足所有现有的和新的应用

当前,电源开关有几种不同的选择。功率MOSFET是最基本的器件,主要用于击穿电压低于200V的应用。超级结MOSFET是功率MOSFET的延伸,设计用于处理更高的电压,具有相对较快的开关特性。IGBT被认为是双极晶体管和MOSFET的混合体,其开关波形最适合于硬开关拓扑,并用于大功率应用。

如今,SiC和GaN等宽禁带(WBG)技术已经成熟,可以在适用于特定功率应用的所有标准中与硅FET和IGBT媲美。WBG的主要优点之一是其在高频下有效切换的能力,这导致电源中使用的无源和磁性组件更小。此外,相对较低的反向恢复电流使它可以成为各种电源拓扑中的二极管替代产品,不仅可以提高整体效率,而且还可以提供全新的配置。 
WBG功率晶体管的开发为原始设备制造商提供了更广泛的开关解决方案选择,使替代拓扑结构能够实现更高的效率和更高的功率密度。这种选择的广泛性不仅在现有的应用中是有利的,而且也使实际利用电力的全新方式成为可能。图腾柱PFC拓扑就是一个很好的例子,可以通过选择WBG器件使其变得更加有用和可行。
纵观当今的许多应用领域,几乎每个领域都对电力电子设备有巨大的需求。在汽车工业中,动力传动系统正变得越来越电气化。随着混合动力车辆和电动车辆的发展进步,需要AC-DC转换和DC-DC转换来支持车载电池的充电和电动机的驱动。可再生能源在电力基础设施中占很大比例,并且预计这一比例将继续增加。光伏发电需要逆变器,用来把直流转换为交流电,并可以用于各种传输系统中。另一个补充应用是使用电池存储来稳定电力需求。该技术取代了效率低下的煤炭和天然气发电机,这些发电机需要在相对较短的时间内针对每个电网连接进行物理旋转至指定速度。 
我们的发电方式正在从化石燃料转向可再生的绿色能源,如太阳能、风能和潮汐能。这些可再生能源的兼容性不如迄今为止在能源部门使用的天然气和煤炭等资源。因此,每瓦特成本很高,但现在这种情况正在改变。电力电子设备效率的提高是太阳能和风能变得比化石燃料便宜的原因之一。随着WBG的出现和传统半导体技术的持续进步,可再生能源将成为现实,并将在未来的电气化系统中发挥更大的作用。 
效率是驱动力
电力负载所需的电压和电流的幅度非常大,当电能达到最终产品时,功率水平将降至最低。这种功率水平的控制性降低需要进行转换,并被描述为传输的最后阶段。从效率的角度来看,这也是最重要的。 
运行中的电源(发电机)与使用中的耗能设备(电子设备)之比是无法形容的。预计该行业将引入数百亿个新设备作为物联网的一部分,但发电机数量并未相应增加。为了维持这种趋势,在电源生命周期的每个阶段提高效率已经变得很重要。 
适用于电源应用的WBG技术的关键特性包括相对较高的电子迁移率,较高的击穿电压,较高的耐温性和较高的带隙能量。这些特性使它能够以比传统的基于硅的功率晶体管更高的频率开启和关闭。低导通电阻值对于热损耗大的功率电路也是必不可少的因素。 
例如,GaN晶体管可以以MHz的速率切换数十千瓦。较高的开关频率使GaN晶体管在RF发射器和放大器等应用中具有吸引力,,但正是高速开关高电压的能力使氮化镓适用于电源电路。同样,SiC在开关速度和电压方面也胜过硅FET和IGBT。由于两种品质因数的有限交叉,SiC是GaN技术的补充,而不是与GaN技术竞争,两者在大功率开关应用中均有很大优势。
WBG带来的好处不是无代价的。不仅成本相对较高,而且SiC和GaN都需要与硅FET和IGBT不同的栅极驱动器解决方案。幸运的是,这些技术的供应链正在迅速扩展。很多半导体厂商现已为所有这些技术制定了技术的、策略,包括硅场效应管、IGBT、SiC及GaN,以及专门设计用于支持SiC及GaN的栅极驱动器。
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