隨著汽車、空調(diào)和工業(yè)驅(qū)動器變得更加電氣化，電力需求在持續(xù)增長。功率半導(dǎo)體器件發(fā)展也很快，比如近些年的GaN快充應(yīng)用，成了高端電子產(chǎn)品的充電標(biāo)配。

每個功率級（發(fā)電、配電、轉(zhuǎn)換、消耗）可實現(xiàn)的效率決定了整個電源基礎(chǔ)設(shè)施的負(fù)擔(dān)程度。在每個階段，效率低下都會產(chǎn)生熱量作為主要的副產(chǎn)品。在許多情況下，需要更多的能量來去除或處理這些熱量。因此，減少各階段廢熱的產(chǎn)生具有很大的作用。

電力電子設(shè)備產(chǎn)生的熱量主要在轉(zhuǎn)換階段產(chǎn)生，主要是由于傳導(dǎo)和開關(guān)損耗。半導(dǎo)體的效率越高，產(chǎn)生的熱量就越少，浪費的能量也就越少。低效半導(dǎo)體所產(chǎn)生的熱量是不適合使用的，在很大程度上是不必要的，但由于半導(dǎo)體技術(shù)和半導(dǎo)體材料的不斷改進(jìn)，這種熱量的產(chǎn)生是可以避免的。

功率半導(dǎo)體在不斷發(fā)展，但受到終端市場需求的影響不小。今天，任何垂直行業(yè)、市場或應(yīng)用都有自己的電源要求。即使在今天，硅FET也必須滿足這些不同的需求，硅FET與基本半導(dǎo)體技術(shù)大致相同。對所有人使用相同的技術(shù)，損耗可大可小，具體取決于應(yīng)用，僅僅是由于設(shè)備限制。沒有一種技術(shù)可以處理所有情況。

目前，電源開關(guān)有幾種不同的選擇。功率MOSFET是最基本的器件，主要用于擊穿電壓低于200V的應(yīng)用。超級結(jié)MOSFET是功率MOSFET的擴(kuò)展，具有相對較快的開關(guān)特性，專為處理高電壓而設(shè)計。IGBT被認(rèn)為是雙極晶體管和MOSFET的混合體，其開關(guān)波形最遲適用于硬開關(guān)拓?fù)?，并用于大功率?yīng)用。

如今，碳化硅和氮化鎵之類的寬帶隙(WBG)技術(shù)已經(jīng)成熟，可以在適用于特定電源應(yīng)用的所有標(biāo)準(zhǔn)中與硅FET和IGBT相媲美。WBG的主要優(yōu)勢之一是它能夠在高頻下進(jìn)行有效切換，從而使電源中使用的無源和磁性元件更小。此外，相對較低的反向恢復(fù)電流使其成為各種電源拓?fù)渲械亩O管替代品，不僅提高了整體效率，而且提供了全新的配置。

WBG功率晶體管的開發(fā)為OEM提供了更廣泛的開關(guān)解決方案選擇，并支持替代拓?fù)湟詫崿F(xiàn)更高的效率和更高的功率密度。這些眾多選項不僅有利于現(xiàn)有應(yīng)用，而且還實現(xiàn)了一種全新的實際用電方式。一個很好的例子是圖騰柱PFC拓?fù)?，它可以通過選擇WBG器件變得更加有用和可行。

縱觀當(dāng)今的許多應(yīng)用領(lǐng)域，幾乎每個領(lǐng)域都對電力電子產(chǎn)品有很大的需求。在汽車行業(yè)，動力傳動系統(tǒng)正變得更加電氣化。隨著混合動力汽車和電動汽車的發(fā)展，需要AC-DC轉(zhuǎn)換和DC-DC轉(zhuǎn)換來支持車載電池充電和電動機的驅(qū)動?？稍偕茉丛陔娏A(chǔ)設(shè)施總量中占比較大，預(yù)計這一比例還會繼續(xù)增加。光伏發(fā)電需要逆變器捕獲相對較低電壓的直流大電流，將其轉(zhuǎn)換為交流電，可以用于更廣泛的輸電系統(tǒng)。另一個補充應(yīng)用是使用電池存儲來穩(wěn)定電力需求。這項技術(shù)取代了低效的煤炭和天然氣發(fā)電機，這些發(fā)電機需要在相對較短的時間內(nèi)為每個電網(wǎng)連接以指定的速度進(jìn)行物理旋轉(zhuǎn)。

發(fā)電方式正在從化石燃料轉(zhuǎn)向可再生的“綠色”能源，如太陽能、風(fēng)能和波浪。與迄今為止能源部門使用的天然氣和煤炭等資源相比，這些可再生能源的兼容性較差。因此，過去每1W的成本很高，但現(xiàn)在這種趨勢正在改變。電力電子設(shè)備效率的提高是太陽能和風(fēng)能比化石燃料便宜的原因之一。隨著WBG的出現(xiàn)和傳統(tǒng)半導(dǎo)體技術(shù)的不斷進(jìn)步，可再生能源將成為現(xiàn)實，并將在未來的電氣化系統(tǒng)中發(fā)揮更大的作用。

效率是電源轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵

電氣負(fù)載所需的電壓和電流的幅度非常廣泛，它們以從微到兆的單位表示這一事實證明了這一點。當(dāng)電能達(dá)到最終產(chǎn)品時，功率水平被最小化。這種功率水平的受控降低需要轉(zhuǎn)換，并被描述為傳輸?shù)淖詈箅A段。從效率的角度來看，這也是最重要的。

運行中的電源（發(fā)電機）與使用中的耗能設(shè)備（電子設(shè)備）之比大得無法解釋。預(yù)計該行業(yè)將引入數(shù)百億臺新設(shè)備作為物聯(lián)網(wǎng)的一部分，但發(fā)電機的數(shù)量并沒有相應(yīng)增加。為了維持這一趨勢，在電力生命周期的每個階段提高效率變得很重要。

毫無疑問，物聯(lián)網(wǎng)會引入相當(dāng)數(shù)量的新設(shè)備，但實際上，許多設(shè)備已經(jīng)在運行并消耗電力，并且正在開發(fā)和制造類似數(shù)量的設(shè)備。并非所有這些都連接到全球數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，但它們應(yīng)該以某種方式壓倒該國的電網(wǎng)。這些設(shè)備中的每一個都效率低下，導(dǎo)致每天損失的總電量，即作為熱量耗散的能量。通過為您的應(yīng)用選擇最佳開關(guān)技術(shù)，可以將這些損耗降至最低。

適用于電源應(yīng)用的WBG技術(shù)的關(guān)鍵特性包括相對較高的電子遷移率、高擊穿電壓、耐高溫和高帶隙能量。這些特性使其能夠以比傳統(tǒng)硅基功率晶體管更高的頻率打開和關(guān)閉。低導(dǎo)通電阻值也是熱損失大的電源電路不可缺少的因素。

例如，GaN晶體管可以以MHz的速率切換數(shù)十千瓦。高開關(guān)頻率使GaN晶體管對RF發(fā)射器和放大器等應(yīng)用具有吸引力，但GaN適合電源電路，因為它可以高速開關(guān)高壓。同樣，SiC在開關(guān)速度和電壓方面也優(yōu)于硅FET和IGBT。由于兩個品質(zhì)因數(shù)的交叉有限，SiC與GaN技術(shù)互補而不是競爭，兩者都在高功率開關(guān)應(yīng)用中贏得了設(shè)計勝利。

WBG技術(shù)的好處是有的，但相對昂貴，而且與硅FET和IGBT相比，SiC和GaN都需要不同的柵極驅(qū)動器解決方案。幸運的是，這些技術(shù)的供應(yīng)鏈正在迅速擴(kuò)大。安森美半導(dǎo)體現(xiàn)已為所有這些技術(shù)制定了戰(zhàn)略，包括硅FET、IGBT、SiC和GaN，并提供專門設(shè)計用于支持SiC和GaN的柵極驅(qū)動器。

在電子工業(yè)中眾所周知，能量轉(zhuǎn)換總是會導(dǎo)致一些熱量損失。然而，隨著功率半導(dǎo)體效率的不斷提高，業(yè)界有望將逆變器和轉(zhuǎn)換器的開關(guān)損耗降低到極限。當(dāng)前，需要增加在所有應(yīng)用中安裝的功率半導(dǎo)體的數(shù)量，但同時，也需要不斷提高效率。