2021年电力电子科普征文大赛-三等奖作品

广东海洋大学 洪濬哲

在各行各业中

处处存在着电力电子技术的应用

小到手机的充电器

大到输配电 能量储存

在电力电子学当中

功率半导体开关器件

起到根基性的作用

 Boost电路基本原理图

以Boost电路为例

开关器件即为

金属氧化物半导体场效应管（MOSFET）

以及

二极管

除此之外

功率开关器件还包括了

绝缘栅双极型晶体管（IGBT）

晶闸管（SCR）

双极结型晶体管（BJT）

静电感应晶体管（SIT）

根据使用的场合和需要的开关频率和耐压

选择不同的开关器件以达到

整体设计安全可靠 性能高效

随着功率开关器件的发展

从第一代半导体材料硅

到第三代半导体材料氮化镓、碳化硅

对于更高的功率和更小的体积的追求

第三代半导体材料凭着自身优势脱颖而出

首先我们先了解一下

宽禁带半导体材料

禁带宽度反应价电子要成为自由电子所需要的能量

宽禁带半导体材料是指禁带宽度＞2.3eV的半导体材料

目前使用最多的宽禁带半导体材料为

氮化镓（GaN）以及碳化硅（SiC）

宽禁带半导体有着

更高的耐压丨耐温丨开关频率丨效率丨功率密度

更小的导通压降丨损耗

我们知道开关频率的提高

在设计的过程中

可以选择更小参数和尺寸的元件

成品的体积和重量可以降低

整体功率密度得以提高

氮化镓（GaN）

图片来源：华为官网

以手机充电器为例

华为最新推出的66W超薄充电器

厚度仅有10.5mm

实现的是以更小的体积达到

相较以前更大的充电功率

其中氮化镓芯片起到的作用功不可没

由于导通损耗的减小

降低高频带来的限制

从而使整体的元器件尺寸得以减小

再加上合理的布局

从而提高了整体功率密度

英飞凌推出的CoolGaN系列的氮化镓晶体管

耐压能达到600V

无少数载流子和体二极管结构

不会出现反向恢复现象

结合英飞凌官网给出的解决方案

满足快速充电的同时拥有大于20W/的功率密度

为创客利用氮化镓芯片进行DIY提供了参考

氮化镓芯片目前面临的问题是产能较低

相较于硅基芯片价格更高

期望未来

氮化镓芯片的销售额和

市场占有率逐渐上升的同时

制造技术得到提升

成本也会有所下降

碳化硅（SiC）

在中低压领域氮化镓半导体的优势已经逐渐明显

但在电压更高的情况下（600V以上）

碳化硅半导体器件可谓是一骑绝尘

碳化硅MOSFET相较于硅MOSFET

由于宽禁带的特性

绝缘击穿场强更大

导通电阻更小

芯片尺寸更小

所需的散热条件降低

相较于同等级的硅IGBT

拥有更高的开关频率

但体积更小

因此近些年碳化硅的应用场合越来越广

市场占有率也越来越高

碳化硅器件应用在新能源汽车上

用于新能源汽车的充电

可以提高电能的转化效率

提高充电的速度

降低冷却设计工作量

用于电机驱动

可以减小整体驱动电路的体积

用于新能源发电

英飞凌的CoolSiC MOSFET

可以提升逆变器功率

增加功率密度

减小整体体积

热损失降低

提高寿命更旧

碳化硅MOSFET的阻断电压正在不断提升

4H-SiC MOSFET的阻断电压已经达到10kV

虽然还未商用

发展起来后在高电压输电领域将有很大作用

除了碳化硅MOSFET

碳化硅IGBT也是一个创新

10kV以上的场合

使用4H-SiC制作的IGBT

可以降低导通电阻 降低开关损耗

在大功率方面特性更强

第三代半导体材料与开关管结合

实现的是性能的飞跃

攻克技术难关

让第三代半导体应用更广泛