外媒：电力电子大会，未来就是现在！

借助宽禁带半导体，电力电子技术正在迅速发展。市场分析师估计，未来6年电力组件的增长将超过100亿美元。如果在混合动力汽车和电动汽车的背景下进行分析，以及通过诸如太阳能之类的环境解决方案进行明智的世界能源管理的需求，这将是一个强劲的增长。

这些宽禁带材料的使用是朝着提高功率器件的能效的方向迈出的又一步，同时确保了解决方案具有比硅更小的外形尺寸和更低的成本。将需要进一步的研发计划，以提高性能，安全性以及为电动汽车回收电池的可能性。

新的电力电子技术的路径将集中在GaN（氮化镓）和SiC（碳化硅）材料上，它们在许多工业应用中重新定义了电源设计，包括数据中心和可再生能源。 GaN和SiC器件强劲增长的前景很高，这主要是受插电式混合动力和电动汽车（主要涉及SiC器件）销售增长的刺激。

会议期间，许多公司的专家来自各个领域，他们讨论了最新结果和即将到来的设计挑战-为期两天，探讨了新功率电子学的主题。

SiC和GaN

随着能效标准变得越来越严格，以满足日益增长的工业应用需求，电源设备变得越来越重要。全世界的半导体制造商已经对晶片衬底采用了新的设计技术，以改善封装。

氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）是用于提高能量供应效率的两个半导体元件。由于成本，性能和可靠性问题，GaN的采用速度很慢。由于其压电半导体的高电子迁移率，它能够以比SiC或Si更高的速度进行切换。然而，热导率是高压的极限。当前，通常使用约650 V至1.2 kV及以上的SiC器件，而GaN被限制在650 V左右。

GaN通常是汽车和机器人视觉以及无线通信中高级RF和LiDAR系统的参考产品。 GaN供应商还瞄准了低压/电源市场，其中包括数据中心，电动汽车和光伏发电。

当安装在开关电源中时，GaN具有本质上优越的性能，它使电源的效率比以前更高。从最终用户的角度来看，这可以节省能源，降低运营成本并减少释放到大气中的碳量。 GaN的内在优势最大的应用是开关电源。

碳化硅（SiC）是一种宽禁带半导体材料，它将在几种应用（例如电动汽车）中设定功率速率，以获取能量和成本，以获得用于高功率的高效器件。

SiC的带隙为3.2电子伏特（eV）。与相同封装尺寸的硅相比，移动电子在导带中所需的能量可提供更高的电压性能。

此外，SiC可以承受更高的温度，导热系数是Si的3.5倍左右，可以在高电压和功率水平下支持高温工作。

SiC和GaN之间的明显区别在于封装。 SiC零件通常以TO-247和T0-220样式提供。结果，他们可以在现有项目中替代Si MOSFET。 WBG设备的高温，快速开关和低损耗特性使其成为军事应用的理想之选，在军事应用中，性能是关键要素。

磁性元件是功率转换器应用中的关键因素，其中所需谐振电感器和变压器的磁芯损耗占总功率损耗的大部分。来自BS＆T的JC Sun在会议上介绍了未来磁性设计的重要新考虑因素。功率电磁元件的设计是具有高效率要求的功率系统的一项关键技能。磁性材料和绕线组件的极非线性行为必须通过建模和测量来提供。

用创新的半导体制成的新型晶体管，例如碳化硅（SiC）或氮化镓（GaN），目前非常需要构建用于汽车工业和替代能源的电源系统。通过考虑更高的电压和电流水平，即使用于表征的测试系统也变得更加复杂和关键，因此可以确保测量的可靠性和操作人员的安全性。在概念阶段使用的仿真软件必须为电力电子应用中遇到的所有类型的电气组件提供通用模型。由于功率半导体通常以开关模式工作，因此应将它们建模为理想的开关，以降低仿真模型的复杂性。用户必须能够自由连接任意组件，并能够通过子系统创建自己的自定义组件。在电力电子应用中，控制的开发通常比功率级的设计需要更多的工作，尤其是在使用微控制器的情况下。 Plexim提供用于电力电子系统的仿真软件。 Plexim的PLECS使客户能够加速产品开发和创新，同时减少设计时间和成本。

会谈与公司

该会议由ABB的Juergen Schuderer主持开幕，介绍了WBG技术在汽车领域的应用。在下一个（不久的将来），机器集成的逆变器将需要新的半导体模块设计和整个动力总成的系统优化。

UnitedSiC的Anup Bhalla展示了采用TO247和SOT-227封装的超低RDS（on），1200V器件的新型SIC解决方案。这个新系列具有出色的热特性，可大大降低传导损耗。此外，这些设备将改善直流固态断路器和配电单元的性能。 SiC MOSFET的主要优点是漏极至源极的导通电阻低（RDS（on）），比击穿电压相当的硅器件低300-400倍。

在GaN市场上，英飞凌与Tim McDonald共同展示了他在CoolGaN领域的最新创新。即使在高开关频率下，CoolGaN也能提供高效率，从而进一步减小了功率转换器的尺寸和重量。 CoolGaN允许在给定尺寸的储能槽中将输出功率加倍，从而释放空间并同时实现更高的效率。会议期间提出的另一种CoolSiC技术提供了高电流密度和低电感设计，以提供较低的开关和传导损耗。

EPC首席执行官Alex Lidow在演讲中重点介绍了硅氮化镓（eGaN®）FET解决方案，该解决方案在主要应用（例如DC-DC转换器，无线电力和RF传输）中替代了功率MOSFET。 GaN器件具有更高的频率开关能力，因此可以在许多现有功率应用中提高效率，并且自2018年以来就可以通过AEC Q101认证的氮化镓功率晶体管在市场上销售，在汽车应用中将出现使用这种相对新技术的设计浪潮。

展示他们在GaN和Sic领域中的研究和最新发展的其他有趣的公司是ROHM半导体，德州仪器，Microchip，Power Integrations，Pre-Switch，三菱，GaN Systems，Littelfuse，Wolfspeed，田村（图1,2和3）。

安森美半导体已经讨论了其在SiC上的工作，该产品已经产生了电压范围为650 – 1700V的二极管和MOSFET技术平台。

ROHM的Ignacio Lizama描述了具有更快开关速度的SiC MOSFET器件产品组合。 ROHM相信SiC功率器件有助于提高汽车功率系统的效率。 SiC功率器件的采用正在通过新型快速充电系统（例如车载充电器或车载DC充电）在电动汽车市场扩展。

正如Tony Astley和Peter Di Maso所讨论的，GaN Systems用于新一代GaN功率晶体管的方法正在推动功率系统之间的能量转换。 GaN Systems的绝缘金属衬底（IMS）半桥热安装解决方案，提供三种功率级别配置，分别高达1.5 kW（GS66504B），3 kW（GS66508B）和6 kW（GS66516B），从而提供了设计灵活性和可扩展性。正如德州仪器（TI）讨论的那样，GaN功率晶体管还代表了下一代高效电机驱动器设计中的关键要素。

Power Integrations透露，其InnoSwitch系列反激转换器IC和LYTSwitch LED驱动器IC系列的更高功率成员均基于该公司自己的GaN技术-并已被笔记本电脑和手机的大容量USB-PD适配器制造商采用。

Power Integrations强调了其InnoSwitch反激转换器和IC LED LYTSwitch驱动器系列中最强大的元件。

Power Integrations强调了采用该公司GaN技术的InnoSwitch反激转换器和IC LED LYTSwitch驱动器系列中最强大的元件。许多用于笔记本电脑和手机的大容量USB-PD适配器制造商已将这种技术用于电源电路配置。

硬开关通常用在DC / AC电源转换器中，但是会引入开关损耗，这占电源转换器损耗的很大一部分。 Pre-Switch讨论了使用人工智能的新解决方案，可最大程度地减少开关损耗，并使用户不受FET技术的影响，从晶体管的全部潜能中受益。

Navitas展示了其最新的GaNFast™电源IC，以可靠，易于使用的“数字输入，输出”单片集成格式提供了高频，高效开关。

图1：麦当劳在会议上的讲话

图2：安纳普·巴拉（Anup Bhalla）在会议期间的讲话

图3：会议期间Ignacio Lizama的讲话

结论

成本显然是要考虑的因素：最大的挑战是SiC和GaN器件的广泛采用。电气特性说明了它们如何能够显着降低系统成本，但最重要的是真正提高了整体效率。具有车载充电单元和牵引逆变器的电动和无人驾驶汽车是SiC半导体的主要候选产品。应该基于用于SiC和GaN的新衬底以及基于新电路的布局来取得进展，以提高诸如Mosfet，二极管等最终组件的性能。

本文编译自powerelectronicsnews。