WBG在高功率高溫電子中的應(yīng)用

功率電子是基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè);所有電力設(shè)備都將使用某種形式的電源管理器件。因此，功率器件的進(jìn)步也推動(dòng)了大量應(yīng)用的進(jìn)展。這就是為何看到使用WBG材料的功率電子是很常見并令人欣喜的事。WBG最初被用于發(fā)光二極管（LED），然后擴(kuò)展到射頻器件與SAW濾波器，首次亮相于功率電子領(lǐng)域是1992年首個(gè)400V SiC肖特基二極管的問世。自那時(shí)起，WGB功率電子產(chǎn)品組合已不斷擴(kuò)充，包括1200V SiC肖特基二極管以及整流器，JFET，MOSFET，BJT和可控硅，參與的制造商也眾多，包括Cree公司和意法半導(dǎo)體等。

作為行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者，Cree進(jìn)入WBG已經(jīng)有段歷史，其產(chǎn)品組合包括MOSFET，肖特基二極管和整流器，LED燈等。 2011年，Cree公司推出了SiC MOSFET Z-FET?線，它具備目前業(yè)界最高的效率，同時(shí)也提升了電源開關(guān)應(yīng)用的可靠性。意法半導(dǎo)體STPSC家族目前已經(jīng)包括600V，650V，1200V的SiC二極管。 STPSC6H12是一款高性能1200V SiC肖特基整流器，專用于光電逆變器。由于其在任何溫度下高頻工作時(shí)開關(guān)損耗低以及超快的開關(guān)速度，可以將變頻器良率增加多達(dá)2％。相比于雙極二極管，SiC二極管的損耗可以降低70％。

碳化硅（SiC）是目前最成熟的WBG材料，市場(chǎng)已經(jīng)出現(xiàn)大量的SiC功率器件，這些產(chǎn)品也來自于眾多廠家，包括Cree，GeneSiC，英飛凌，松下，羅姆，意法半導(dǎo)體，Semelab/ TT電子和美國(guó)中央半導(dǎo)體。對(duì)于功率器件，SiC相對(duì)于硅的優(yōu)勢(shì)包括更高的效率，更低的損耗，更高的開關(guān)頻率，可以去掉一些無源元件以保持緊湊的設(shè)計(jì)，以及更高的擊穿電壓（幾十千伏）。SiC在功率電子設(shè)計(jì)中可實(shí)現(xiàn)更快的運(yùn)行速度，以及尺寸更小的磁性元件。

這些特性使得SiC適用于高功率（>1200V，>100千瓦），耐高溫（200° - 400°C）的應(yīng)用，同時(shí)也適用于要求較松的使用。可再生能源發(fā)電（太陽能逆變器和風(fēng)力渦輪機(jī)），地?zé)崮埽摽足@），汽車（混動(dòng)汽車/電動(dòng)汽車），交通（飛機(jī)，船舶和鐵路牽引），軍用系統(tǒng)，太空計(jì)劃，工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，不間斷電源，和離線電源中的功率因數(shù)校正（PFC）升壓級(jí)，這些應(yīng)用均適合使用SiC功率器件。

作為一種新興技術(shù)，SiC比硅的生產(chǎn)成本更高，導(dǎo)致GaN的低成本優(yōu)勢(shì)顯現(xiàn)，基于GaN的功率器件現(xiàn)在剛剛進(jìn)入市場(chǎng)。這些器件表現(xiàn)為在一個(gè)SiC或者硅襯底上連接GaN，否則同時(shí)使用GaN襯底代價(jià)將非常高昂。盡管降低了成本，以及保持了SiC一樣超出于硅的性能優(yōu)勢(shì)，但與基板的不匹配降低了GaN的高理論熱傳導(dǎo)率，實(shí)際值也略低于硅。GaN-on-Si類WBG的優(yōu)勢(shì)包括：高電壓操作，高開關(guān)頻率和出色的可靠性 特別是預(yù)期最早在2015年GaN-on-Si的價(jià)格將與硅相同，這樣基于GaN的功率器件將對(duì)亞900 V應(yīng)用有很大的吸引力。隨著成本下降，GaN功率器件也將出現(xiàn)在下一代消費(fèi)電子產(chǎn)品中，因?yàn)檫@些產(chǎn)品對(duì)尺寸大小、效率以及價(jià)格非常敏感。

SiC功率半導(dǎo)體2013年的銷售額為大約2億美元，但預(yù)計(jì)在未來數(shù)年將飛速增長(zhǎng)，一些預(yù)測(cè)估計(jì)，到2022年銷售額將接近18億美元。盡管GaN功率器件剛剛進(jìn)入市場(chǎng)，但同期（2022年）銷售額預(yù)計(jì)將超過10億美元。雖然預(yù)期SiC和GaN功率器件將獲得指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，考慮到2020年全球功率半導(dǎo)體市場(chǎng)的價(jià)值估計(jì)約為650億美元（IHS / IMS研究），很顯然未來幾年硅的市場(chǎng)價(jià)值仍將持續(xù)。在低功低壓市場(chǎng)中尤其如此，而這里主要采用窄帶隙材料。低功低壓市場(chǎng)的新材料開發(fā)仍處于起步階段。例如，石墨烯、零帶隙材料，由于其獨(dú)特的性能，已經(jīng)帶來了諸多驚喜。石墨烯具有可調(diào)整的帶隙，優(yōu)異的導(dǎo)電性，耐久性，重量輕，直到最近的2004年才分離出來。有趣的是，在低壓（?10 -6托）加熱SiC到高溫（> 1100℃）時(shí)，SiC就轉(zhuǎn)換成石墨烯。