通常

，人们会忽视栅极驱动器在优化功率晶体管整体运行方面的作用，就好像 SIC MOSFET 或 GaN HEMT 是独立元件一样。意法半导体的电隔离 STGAPx 系列是针对 WBG 优化的栅极驱动器的一个很好的例子。

　　共源共栅配置中的常开 GaN HEMT 通常被视为实现具有常关行为的开关的最短途径
。实际上，共源共栅配置中的 GaN 具有固有常关晶体管的特定特性
，从而具有独特的性能和更安全的操作模式，正如 Nexperia GaN 国际产品营销经理 Ilian Bonov 在演讲中所展示的那样

。

　　第三个值得探索的方面是主流汽车生态系统之外的智能电网中 SiC MOSFET 的使用，SiC 市场的增长主要由汽车应用推动

，例如牵引逆变器和电池充电器，但考虑到大量部署需要无处不在且耗电的充电站的电动汽车
，全向电网中使用的超高压 (HV) SiC MOSFET 可以带来显着的节省。

　　WBG 功率半导体市场概况

　　Prabhu 指出，WBG 半导体市场总额将从 2022 年的 29.2 亿美元跃升至 2032 年的 288.8 亿美元。就市场增长而言，WBG 产品在 2022 年至 2027 年的五年内将实现 35.2% 的复合平均增长率，超过任何其他半导体系列的增长率
。这一惊人增长的关键驱动因素包括电动汽车采用 400V 至 800V 电池系统的功率器件，以及对更高效转换器的需求
，以满足 5G 基站、充电器和其他工业应用的需求。

　　总体而言
，WBG 器件有助于减少碳足迹，因为它可以降低成本并提高各种能源转换器的效率，使其更受欢迎

、更实惠且更易于大规模部署
。它们还可用于生产绿色氢气，这种氢气的供应几乎是无限的，但生产仍然耗能
，更不用说在转换器和逆变器中使用 GaN 和 SiC 代替硅可以节省大量二氧化碳。

　　电动汽车确实是市场增长的主要推动力
，但仍存在一些问题
，例如电池组件和发动机的材料供应
、地缘政治紧张局势以及明智地向可再生能源过渡，用于为越来越多的充电站供电。其他机会是利用具有吸引力且与电气化互补的宽带隙半导体。这些包括太阳能逆变器、风力发电场、智能电网
、UPS(存储系统)和数据中心，随着利发国际联系越来越紧密，人工智能的使用越来越广泛

，这些领域的数量也在不断增长。

　　进一步改进 WBG 产品仍存在一些问题和挑战。目前，大多数 SiC MOSFET 都是采用平面技术制造的，而沟槽是一种提高产品性能的选择，可以缩小芯片尺寸

、降低传导损耗并提高成本竞争力

。但即使功率半导体制造商多年来一直掌握硅沟槽技术，考虑到最终材料具有不同的晶体结构和物理特性，将其应用于 SiC 技术也并非简单的移植。减少晶圆基板的内置缺陷以提高制造良率也需要额外的努力。

　　GaN晶体管已在8英寸上量产
，电压约为650V，具有横向结构，这限制了电压能力和电流密度的扩展。垂直GaN仍仅限于实验室试验和使用高成本同质外延(GaN-on-GaN)的小晶圆尺寸
。

　　效率的提高还意味着更好的冷却技术，例如双面冷却和硅通孔，以及用于基板和芯片框架的新材料
。用于将封装连接到散热器(而不仅仅是将芯片连接到框架)的银和铜烧结方法也有利于改善散热

，因为热接触更好。

　　WBG 栅极驱动器

　　栅极驱动器是重要的 IC，因为它们提供和吸收足够的电流以有效驱动功率器件，同时确保在故障条件下安全运行。STGAx (STGAP) 系列栅极驱动器适用于隔离拓扑中使用的 SiC 和 GaN 晶体管，基于电流变压器式绝缘 (6.4 kVpk)，可驱动高达 1.5 kV 电压轨的电源开关。图 1 显示了基本概念。符合 AEC-Q100 标准的 STGAP4S 嵌入反激式控制器以生成隔离轨，以实现正确的 SiC 驱动。串行外设接口可用于参数编程和扩展诊断类去饱和检测、过流检测
、输入去尖峰滤波器、每个电源上的欠压锁定和过压锁定以及可编程死区时间。

　　米勒钳位引脚是栅极驱动器的一项重要功能，因为它可以避免桥式拓扑中因换向尖峰而导致的寄生晶体管导通。当以半桥配置驱动功率器件时，由于漏极和栅极之间的电容耦合
，即使驱动器保持关闭状态

，栅极源电压 (Vgs) 也可能达到阈值水平，并导致击穿 (交叉传导) 的灾难性故障。通过使用米勒钳位输出
，存在低阻抗路径
，以确保 V gs在开关阶段不会增加。SiC MOSFET 的阈值电压较低，更容易受到这种现象的影响。

　　共源共栅 GaN FET

　　Cascode GaN 是在同一封装中组合两个元件以实现常关开关：常开(耗尽模式或 d 模式)650 V GaN HEMT与 30 V 硅 MOSFET 串联。外部端子是 MOSFET 的栅极 (G)，也是 Cascode 的栅极;HEMT 的漏极 (D);以及 MOSFET 的源极 (S)，内部连接到 HEMT 的栅极。主要特点是高饱和电流(因为 GaN 电子迁移率高)
、坚固的栅极(±20 V)、易于驱动(0 至 12 V，阈值为 4 V)和反向传导模式下的低损耗。

　　如图 2 所示，Nexperia 的共源共栅 GaN 在 6 V 以上完全导通，I d与 V gs曲线在 25°C 和 150°C 之间变化不大，保证在两个极端温度下性能始终一致
。与两种竞争器件相比，栅极电压变化 2 V 不会影响器件性能。竞争对手的常闭 GaN 器件在 25°C 和 150°C 之间表现出较大的电流间隙
。温度越高，电子迁移率越低。反向传导损耗对共源共栅更有利，因为 MOSFET 的二极管具有电压降 V f在 20 A 时仅为 1.4 V，而 SiC MOSFET 和 e-mode GaN 分别为 5 V 和 4.6 V
。反向传导发生在死区时间期间，如果设计人员使用 GaN 共源共栅，则不必将死区时间保持在尽可能短的范围内以减少此类损失。

　　为了充分利用 GaN 共源共栅开关的潜在特性，需要采用适当的封装，以降低内部电感
、降低热阻并提高板级可靠性。CCPAK1212 (12 × 12 mm 2 ) 具有底部和顶部冷却版本，并采用铜夹安装，是最佳选择

。Nexperia 声称其寄生电感为 1.27 nH
，而采用 SiC MOSFET 的 TOLL 封装的寄生电感为 2 nH，这意味着其频率更高
。在 400 V 至 230 V 的硬开关 DC/DC 转换器中，以 100 kHz 的频率运行并使用顶部 650 V 开关，无需 PCB 即可达到最大 6 kW，在整个功率范围内可实现 98% 以上的效率(2 kW 时为 99%)。

　　全向网格

　　全向电网是一个新概念，其核心是将能源和电力从采集点智能高效地输送到消耗点。换句话说，正如 Microchip 的 Speer 所说，利发国际需要随时随地为任何人提供电力
。在这一努力中
，1,700 V 至 3.3 kV 的高压 SiC 产品将发挥关键作用
。虽然在能源消耗(电动汽车
、充电站等)时，650 V 和 1,200 V SiC 在效率和功率密度方面的优势得到了充分发挥，但考虑到完整的能源生命周期，SiC MOSFET 和二极管有什么作用呢?如图 3 所示?中间的区块呢?

　　火力发电厂燃烧燃料发电效率极低，当电力到达消耗点时

，大约三分之二的原始能量在转换过程中损失。例如，天然气发电厂的效率为 44%，这意味着天然气中储存的能量有 56% 被损失
，而 44% 的能量被转换成电能
。除此之外
，长距离传输、调节和配电还会造成额外的电力损失—— 根据美国能源信息署 (645 GWh) 的数据
，美国平均损失约 5% ——这加剧了电网固有的低效率。

　　美国在 2021 年消耗了 4 TWh 的电力，到 2050 年，电动汽车充电将额外增加 2 TWh 的年度需求
，因此电网和能源的负担将非常沉重。因此，有必要提高输配电效率

，摆脱单向电网，单向电网的主要缺点是电压和频率不同、难以控制电力流方向以及低压 (LV) 转换器效率低下。全向电网所要做的就是在需要时提供适量的能量;也就是说
，具有灵活性和更大的自由度。因此，解决方案是在变电站内采用电力电子设备，以便于集成分布式能源资源
、提高转换效率，并为进一步的电网发展和新架构实施创造适当的条件。当然，变电站级电压如此之高，以至于只有 SiC 产品才能以不打折扣的效率和减小的转换器尺寸进行部署。额定电压为 3.3 kV 的 SiC MOSFET 和肖特基二极管还将简化整个系统
，包括传感
、控制、驱动器和减少的元件数量
。

　　HV SiC 产品使用模块化多级转换器
，这是一种用于中压 (MV) 和高压直流转换的电力电子转换器，由多个(多达数百或数千个)串联的低压额定子模块组成
。这种拓扑结构可产生多个输出电压水平，从而减少电池数量(电压越高，电池数量越少)、提高电能质量
、降低故障点和降低拥有成本

。使用 10,000-V SiC 开关，模块数量大幅减少 - 低于 100 个
。

　　为了实现全向电网，当今的 SiC 技术使利发国际能够用固态变压器 (SST) 取代笨重的传统变压器，从而将中压转换为低压(用于为负载供电)，从而提高效率、功率密度和电能质量。在优化全向电网方面，利发国际有可能领先一步，这涉及用 SST 取代 AC/AC HV-MV 传统变压器
，但需要进一步开发 SiC 技术。

利发国际科技专注功率器件领域
，为客户提供IGBT、IPM模块等功率器件以及MCU和触控芯片，是一家拥有核心技术的电子元器件供应商和解决方案商。