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。功率半導體器件發(fā)展也很快，比如近些年的GaN快充應用，成了高端電子產(chǎn)品的充電標配。

每個功率級（發(fā)電、配電、轉換、消耗）可實現(xiàn)的效率決定了整個電源基礎設施的負擔程度。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。

電力電子設備產(chǎn)生的熱量主要在轉換階段產(chǎn)生，主要是由于傳導和開關損耗。半導體的效率越高，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，但由于半導體技術和半導體材料的不斷改進，這種熱量的產(chǎn)生是可以避免的。

功率半導體在不斷發(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與基本半導體技術大致相同。對所有人使用相同的技術，損耗可大可小，具體取決于應用，僅僅是由于設備限制。沒有一種技術可以處理所有情況。

目前，電源開關有幾種不同的選擇。功率MOSFET是最基本的器件，主要用于擊穿電壓低于200V的應用。超級結MOSFET是功率MOSFET的擴展，具有相對較快的開關特性，專為處理高電壓而設計。IGBT被認為是雙極晶體管和MOSFET的混合體，其開關波形最遲適用于硬開關拓撲，并用于大功率應用。

如今，碳化硅和氮化鎵之類的寬帶隙(WBG)技術已經(jīng)成熟，可以在適用于特定電源應用的所有標準中與硅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電流使其成為各種電源拓撲中的二極管替代品，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解決方案選擇，并支持替代拓撲以實現(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拓撲，它可以通過選擇WBG器件變得更加有用和可行。

縱觀當今的許多應用領域，幾乎每個領域都對電力電子產(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轉換和DC-DC轉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設施總量中占比較大，預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，將其轉換為交流電，可以用于更廣泛的輸電系統(tǒng)。另一個補充應用是使用電池存儲來穩(wěn)定電力需求。這項技術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行物理旋轉。

發(fā)電方式正在從化石燃料轉向可再生的“綠色”能源，如太陽能、風能和波浪。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。電力電子設備效率的提高是太陽能和風能比化石燃料便宜的原因之一。隨著WBG的出現(xiàn)和傳統(tǒng)半導體技術的不斷進步，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。

效率是電源轉換的關鍵

電氣負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。當電能達到最終產(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）與使用中的耗能設備（電子設備）之比大得無法解釋。預計該行業(yè)將引入數(shù)百億臺新設備作為物聯(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)會引入相當數(shù)量的新設備，但實際上，許多設備已經(jīng)在運行并消耗電力，并且正在開發(fā)和制造類似數(shù)量的設備。并非所有這些都連接到全球數(shù)據(jù)網(wǎng)絡，但它們應該以某種方式壓倒該國的電網(wǎng)。這些設備中的每一個都效率低下，導致每天損失的總電量，即作為熱量耗散的能量。通過為您的應用選擇最佳開關技術，可以將這些損耗降至最低。

適用于電源應用的WBG技術的關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閉。低導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。高開關頻率使GaN晶體管對RF發(fā)射器和放大器等應用具有吸引力，但GaN適合電源電路，因為它可以高速開關高壓。同樣，SiC在開關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技術互補而不是競爭，兩者都在高功率開關應用中贏得了設計勝利。

WBG技術的好處是有的，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，這些技術的供應鏈正在迅速擴大。安森美半導體現(xiàn)已為所有這些技術制定了戰(zhàn)略，包括硅FET、IGBT、SiC和GaN，并提供專門設計用于支持SiC和GaN的柵極驅(qū)動器。

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