有時有趣的是，事情如何改善或惡化取決于你的觀點。從利用電力的那一天起，就存在完美的開關——至少 18千沃爾特等世紀實驗者是這么認為的，他們用黃銅、木材和瓷器制造了電隔離器。關閉時幾乎沒有阻力，打開時沒有泄漏。它可以承受您喜歡的高壓，具體取決于您制造的大小。這是一個問題解決了。

半導體離理想又退了一步

第一個電子開關，真空管，是大的，有損的和脆弱的，早期的晶體管是進一步的倒退，具有高電阻和低擊穿電壓，當然，你可以比任何機械的東西更快地翻轉它們。它們很小，但因此只能處理微小的水流。自肖克利和他的團隊發現以來的75年里，工程師們一直在努力回到Volta的理想解決方案，但同時壓力越來越大，以MHz速率切換得更快，保持小尺寸并增加額定電流。

推動晶體管發展到更高功率水平的應用當然是開關模式電源，它允許在沒有電機發電機組的情況下高效進行 DC-DC 電源轉換。SMPS 的想法于 1959 年獲得專利，雙極結型晶體管于 1970 年首次用于商業應用，即泰克 7000 系列示波器。BJT在應用中取得了成功，但在更高的功率下很難有效地驅動，并且在幾十kHz以外的任何頻率下開關損耗都是不可接受的。快速且易于驅動的MOSFET早在1960年就獲得了專利，但早期版本具有顯著的導通電阻，由于I中的“平方”項，在高電流下會產生高功率損耗2R.然而，IGBT的發明是一個突破，它完美地結合了簡單的MOSFET柵極驅動和BJT的導通狀態特性，直到今天，它仍然是超高功率轉換器的實用解決方案。不過，“實用”并不“理想”——為了避免在最高功率應用中出現不可接受的動態損耗，IGBT的開關頻率必須保持在約10KHz以下，因此必須使用大型、重型和昂貴的磁性元件。同時，開關頻率高達500kHz左右的MOSFET已改進為最新的最先進的“超級結”類型，這些類型現在主導著DC-DC和AC-DC轉換的中低功率范圍。

現代功率半導體的大致應用領域

為了縮小IGBT和硅MOSFET應用領域之間的差距，人們已經探索了碳化硅和氮化鎵中的寬帶隙半導體。這些承諾降低開關和傳導損耗，源于更好的電子遷移率值和更高的材料介電耐受額定值，使具有更低電容和傳導通道長度的更小器件成為可能。然而，使用新材料制造開關帶來了許多困難，從使用帶有GaN HEMT電池的實用基板的不匹配的熱膨脹系數到SiC MOSFET中的“晶格缺陷”和“基底面位錯”，所有這些都會降低性能并降低可靠性。然而，制造方面的改進繼續提高性能，這些器件，特別是SiC MOSFET，現在是主流，并且正在侵入傳統的IGBT高功率應用。

寬帶隙器件在某些方面是一種退步

然而，在某些方面，已經退縮了;SiC MOSFET和GaN HEMT電池不像硅MOSFET那樣容易驅動，所需的柵極電壓水平對于最佳性能和可靠性至關重要，而對于SiC，閾值表現出很大的變化和遲滯。SiC MOSFET柵極氧化物的可靠性也受到質疑，Gan HEMT電池沒有雪崩額定值，迫使重電壓降額。另一個逆行步驟是器件在通過“換向”反向傳導時的性能，“換向”是由感性負載引起的電流自動反轉 – SiC MOSFET 的體二極管在正向偏置下下降約 4V，隨后反向偏置時具有明顯的反向恢復損耗。當GaN器件換向時，它們通過通道傳導，沒有反向恢復問題，但壓降仍然相當高，并且因柵極驅動而異。

回首往事

朝著正確方向邁出的一步是“回顧”一種古老的技術 - “級聯”硅MOSFET和SiC JFET，被制造商和技術冠軍UnitedSiC稱為“SiC FET”。與SiC MOSFET或GaN HEMT電池相比，它具有更好的總損耗品質因數，柵極驅動是非關鍵的，具有穩定的閾值，體二極管速度快，恢復損耗低，僅約1.5V壓降。此外，這些器件具有強大的雪崩和短路額定值，與柵極驅動無關。器件提供 650V、750V、1200V 和 1700V 等級，導通電阻低至 7 毫歐，采用各種封裝，大部分部件符合 AEC-Q101 標準，以減輕任何可能的可靠性問題。

更重要的是，這些器件的快速和高速開關所帶來的挑戰可以通過簡單的RC緩沖器來解決，以管理關斷過沖和振鈴，并從這些SiC FET獲得最佳性能。

審核編輯：郭婷