據國際能源署(IEA)估計，2020年全球電能需求的峰值將達到30拍瓦(Petawatts)，未來還會持續增加。電能來源可能是化石燃料或可再生能源，但無論如何，功率轉換裝置效率對於最大程度降低成本和電能損耗至關重要。
工業馬達消耗了50%以上全球能源，但是資料中心也非常耗電，而電動車(EV)充電亦對電網造成更大的負荷。電氣化的發展趨勢，已促使「更智慧」且耗電更少的創新技術蓬勃發展，但是電源轉換相關元件也須跟上步伐，其損耗必須再創新低。寬能隙半導體(WBG)將是實現此一目標的關鍵。
功率轉換器設計者的目標，是以最高效率將來自配電系統的電力轉換為不同的直流(DC)或交流(AC)電平。出於安全或功能層面考量，可能需要電氣隔離，並且輸出電壓可能要求更高或更低。目前業界最通用的功率轉換器，大多是採用開關模式來進行電源轉換。
最原始的雙極開關技術，目前已經被矽MOSFET所取代，IGBT則仍是高電壓/高功率應用的首選。但寬能隙半導體，如碳化矽(SiC)和氮化鎵(GaN)，已成為轉換器拓撲架構中強有力競爭者。設計者通常會使用「諧振」型拓撲以獲得最佳效率，三相電橋則廣泛用於馬達控制。
無論採用何種拓撲架構，導通電阻和可能具有高瞬時值的開關轉換，都會造成損耗累積(圖1)。
半導體中開關損耗與每秒轉換次數成比例，因此低頻率下損耗更小。但是，開關頻率越高，電源設計者便可以使用體積更小、重量更輕且成本更低的電感器和電容器等被動元件，因此在實際中，開關頻率選擇是一個折衷方案，其開關頻率的範圍可以從馬達驅動器的數kHz，到資料中心的DC-DC轉換器的數MHz。
開關轉換期間的大量損耗，是由對元件電容(COSS)進行充電和放電所需能量(EOSS)引起。因此，EOSS、COSS以及導通電阻(RDS(ON))，都是開關元件性的關鍵參數。導通電阻與管芯面積乘積，即RDS(ON)．A是總損耗的品質因數(FOM)，電容及其相關開關損耗隨管芯面積減小而降低。
寬能隙材料特性擁有先天優勢
SiC和GaN等寬能隙半導體，需要相對較高能量才能將電子從其「價帶」移動到「導帶」。高能隙值會導致更高臨界鑿穿電壓和更低漏電流，尤其是在高溫下。WBG元件還具備更好電子飽和速度，從而導致更快轉換，而SiC擁有特別好導熱性。在圖2中將寬能隙特性與矽進行了比較，在所有狀況下，值都是越高越好。
對於給定厚度，寬能隙材料臨界擊穿電壓值比Si高10倍左右，因此SiC漂移層可以薄10倍，摻雜濃度可以是10倍。寬能隙材料與Si相較，能夠提供比Si低很多的導通電阻，並且相應降低同樣管芯面積的損耗。由於SiC具有高導熱性，所以管芯可以非常小，因而具備出眾RDS(ON)．A(FOM)。圖3是在650V下SiC MOSFET、GaN HEMT單元、Si MOSFET和IGBT的RDS(ON)．A比較。
SiC和GaN大大降低了對閘極驅動功率要求。Si MOSFET和IGBT特別需要大量閘極電荷才能有效開關。對於較大IGBT，這可能需要數瓦驅動功率，從而導致系統損耗。對於WBG元件，即便在高頻下，損耗僅是毫瓦級。
WBG元件還有其它優勢：相較矽元件，可以在更高溫度下運作，最高可超過500℃。儘管封裝限制了實際操作值，但高峰值容量顯示了可用餘量。相較矽元件，WBG閘極洩漏和導通電阻隨溫度變化也要小很多。
成本降低提高WBG元件吸引力
WBG元件成本一直高於矽，但卻在逐步降低，而連鎖式系統優勢在很大程度上抵消了這一點。例如，隨著效率提高，其他部件(例如散熱器)以及濾波器中的電感器和電容器尺寸、重量和成本也相應減小。更快的開關速度，使電源系統對負載變化的回應變得更快，馬達控制也更平滑，也讓基於WBG元件的電源系統變得更有吸引力。
總體而言，使用WBG元件帶來的優勢意味著可以將它們用於電源轉換的任何新應用，設備製造商也在不斷完善技術，從而使元件易於使用且堅固耐用，尤其是在短路和過電壓等故障條件下。英飛凌(Infineon)選擇了一種溝槽架構(圖4左)，可在低閘極電場強度下實現低溝道電阻，從而提高了閘極氧化物介面之可靠性。該公司的增強型GaN高電子移動率電晶體(HEMT)元件則採用平面架構(圖4右)，並且與SiC FET不同，它們沒有本體二極體(Body Diodes)，使其特別適合於「硬開關」應用。GaN元件額定電壓為600V，而SiC額定電壓則為1,200V或更高，但在特定電壓額定值下，GaN RDS(ON)理論極限約比SiC好10倍。
意法半導體(ST)則宣稱其1,200V SiC MOSFET具有業界最高額定溫度200℃，並且在溫度範圍內具有同類領先極低導通電阻。非常快速且堅固的本體二極體避免了外部二極體需求，從而節省了馬達驅動器等應用中換向電路空間和成本。
羅姆(ROHM)在SiC MOSFET市場中也有產品供貨，其最新元件具備高成本效益和突破性能。ROHM據稱開發了業界首款具有共封裝(Co-packaged)的反平行SiC肖特基屏障(Schottky Barrier)二極體SiC MOSFET，可滿足要求苛刻的換向開關應用要求。
WBG市場上的另一家供應商GaN Systems，則專注於其獲得專利的封裝技術，從而可最大限度地利用GaN速度和低導通電阻。其「島嶼技術(Island Technology)」將HEMT單元矩陣與橫向佈置金屬條垂直連接，以降低電感、電阻、尺寸和成本。此外，該公司GaNPX封裝技術沒有引線鍵合，可提供最佳熱性能，高電流密度和低外形。
GaN市場的一家先驅公司Panasonic推出了擁有專利技術的X-GaN元件，以實現「常關」運作而不會出現GaN中的「電流崩塌(Current Collapse)」現象，這種效應源於汲極和源極之間捕獲電子在施加高壓期間可以暫態增大導通電阻，可能導致設備故障(圖5)。Panasonic閘極注入電晶體(GIT)技術能夠產生真正的「常關」 GaN元件，可用與Si MOSFET電平相容的閘極電壓來驅動。
WBG元件普及可期
WBG在功能層面勝過矽，當下的應用障礙只是成本、易用性和所展示的可靠性。WBG元件製造商已經在解決這些問題，並且大規模生產已成為現實，預期在所有市場領域中都有積極應用。
(本文作者任職於貿澤電子)
