眾所周知，與硅相比，碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）等寬帶隙（WBG）半導體可提供卓越的性能。這些包括更高的效率、更高的開關頻率、更高的工作溫度和更高的工作電壓。

半導體物質中的電子能帶分離。圖片由AllAboutCircuits提供

WBG半導體在電壓轉換器、功率開關和高效二極管的制造中充當硅的有效替代品，極大地提高了功率轉換級的效率。與傳統(tǒng)的硅基技術相比，WBG半導體可以獲得重要的改進，例如更高的功率效率、更小的尺寸、更輕的重量和更低的總體成本［2］。繼續(xù)閱讀以了解有關寬帶隙器件基礎知識的更多信息，并了解在電力電子系統(tǒng)中使用它們所帶來的好處。

概述

第一個功率半導體于1952年推出。從那時起，硅一直是并且仍然是開關模式功率轉換應用中的主要半導體材料。然而，自20世紀中期以來，WBG材料一直被認為是合乎邏輯的下一步。第一個SiCWBG半導體僅在2001年才商業(yè)化。

最近幾天，GaNWBG半導體材料也更容易獲得。主要用于發(fā)光二極管應用的半導體材料現(xiàn)在已成為功率轉換應用領域中硅技術的重要替代品。這些WBG（特別是SiC和GaN）的市場增長反映了這些半導體材料相對于硅的優(yōu)越特性。關鍵特性是較低的傳導損耗、較低的開關損耗和高溫操作。

WBG材料通常具有較大的能帶隙。這是價鍵上限和導帶下限之間存在的能隙。帶隙允許半導體根據(jù)可從外部控制的電參數(shù)在導通（ON）和阻斷（OFF）狀態(tài)之間切換。更寬的帶隙意味著更大的電擊穿場，但也意味著在更高的溫度、電壓和頻率下工作的機會。寬帶隙也意味著更高的擊穿電場和更高的擊穿電壓。克服硅的理論限制，像SiC和GaN這樣的WBG半導體提供了顯著的性能改進，即使在最惡劣的條件下也能高效可靠地運行。

WBG半導體的優(yōu)勢

與當前技術相比，WBG半導體有望為電力電子、固態(tài)照明和其他多種工業(yè)和清潔能源領域的各種應用領域的激動人心的創(chuàng)新鋪平道路，其性能遠遠優(yōu)于當前技術［3］。采用WBG器件的主要好處是消除了目前在交流到直流和直流到交流電源轉換過程中出現(xiàn)的高達90%的功率損耗。高功率性能可以通過使用WBG器件來增強，并且已知比基于硅的器件高10倍。系統(tǒng)可靠性可以通過在更高的最高溫度下運行來增強。

眾所周知，使用WBG設備開發(fā)的系統(tǒng)與基于硅的設備相比更小、更輕。此外，生命周期的能源使用減少，為新應用的機會鋪平了道路。由于工作頻率高于硅基設備，因此可以確定緊湊且更便宜的產品設計。請注意，隨著制造能力的提高和基于市場的應用程序的擴展，已知基于WBG的設備的成本將進一步降低。

為了達到特定應用所需的電壓和電流額定值，需要實施新穎的器件設計。這些設計應該能夠最大限度地利用WBG材料的特性［4］。需要替代包裝材料或設計以承受WBG中的高溫。也就是說，現(xiàn)有系統(tǒng)可能必須重新設計，以便以有助于提供其獨特功能的方式集成WBG設備。

眾所周知，SiC和GaN是用于高性能功率轉換和電動汽車的下一代材料。采用基于WBG的器件可提供最高的可靠性，這些器件可在惡劣的環(huán)境條件下提供卓越的魯棒性。使用基于WBG的設備［5］也可以實現(xiàn)穩(wěn)健性和耐用性?？傊c硅相比，WBG材料提供的關鍵優(yōu)勢包括更低的導通電阻、更高的擊穿電壓、更高的熱導率、更高的工作溫度、更高的可靠性、接近零的反向恢復時間和出色的高頻性能。