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電力電子器件是半導(dǎo)體領(lǐng)域中一個(gè)未被重視的部分。電力電子器件和系統(tǒng)對幾乎所有依靠電力運(yùn)行的設(shè)備的運(yùn)行都至關(guān)重要。
電力電子器件是用于控制和調(diào)整提供給終端電路的電力的半導(dǎo)體器件。這些器件一般與電阻、電感和電容等無源元件相連，以完成電源轉(zhuǎn)換。例如，這些系統(tǒng)將來自電網(wǎng)的交流電轉(zhuǎn)換為直流電壓，在直流電壓之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并運(yùn)行電動機(jī)(直流到交流轉(zhuǎn)換)。
近幾十年來，電力電子技術(shù)的持續(xù)改進(jìn)提高了每個(gè)電力終端設(shè)備的能效。此外，
電力電子技術(shù)對實(shí)現(xiàn)節(jié)能和減碳技術(shù)至關(guān)重要，如LED照明、太陽能發(fā)電和電動車。多年來，使能效驚人增長的是新的硅半導(dǎo)體器件、轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制技術(shù)的創(chuàng)新。
電力電子的下一場革命現(xiàn)在正在進(jìn)行中：新材料。
這些半導(dǎo)體，碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)，被稱為寬禁帶(WBG)材料。顧名思義，它們的電子帶隙比傳統(tǒng)的硅要寬。因此，用WBG材料設(shè)計(jì)的電力電子開關(guān)比當(dāng)前的主力器件IGBT和MOSFET具有更低的電阻和更高的開關(guān)頻率。
雖然經(jīng)常將它們相提并論，但實(shí)際上，SiC和GaN之間有一些重要的區(qū)別。這些差異導(dǎo)致它們各自有一個(gè)單獨(dú)的
"甜蜜點(diǎn)"，即材料最適合的應(yīng)用。
這些材料的實(shí)際晶圓是第一大區(qū)別。硅錠是通過化學(xué)氣相沉積(CVD)或物理氣相傳輸(PVT)從單晶種子晶圓生長出來的。與硅錠的生成相比，這兩種方法都是高溫和緩慢的。創(chuàng)造SiC晶圓的下一個(gè)挑戰(zhàn)是將硅錠切成盤狀。SiC是一種非常堅(jiān)硬的材料，即使用金剛石鋸也難以切割。還有其他幾種將硅錠分離成硅晶圓的方法，但這些方法會引入缺陷到單晶中。
相比之下，GaN襯底不是從GaN錠上切割下來的。GaN是通過CVD在硅晶圓上生長的。在這種情況下，挑戰(zhàn)在于硅和GaN之間的晶格常數(shù)不匹配。各種方法被用來設(shè)計(jì)應(yīng)力，但有可能出現(xiàn)影響可靠性的缺陷。由于GaN是硅上面的一層，因此GaN功率器件是橫向器件，這意味著源極和漏極在晶圓的同一側(cè)。這與硅和SiC功率開關(guān)相反，其主要電流路徑是垂直通過芯片的。
這兩種材料也有不同的最佳電壓等級。額定擊穿電壓為100 V左右的GaN器件將用于48 V以下的中壓電源轉(zhuǎn)換。這個(gè)電壓范圍涵蓋云計(jì)算和電信基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用。此外，電源和墻上插座將包含650 V的GaN功率開關(guān)，這是適合AC-DC的額定電壓，輸入電壓范圍寬達(dá)90–240 VAC。GaN的高頻率使電源的無源元件更小，從而使整體解決方案更緊湊。
相比之下，SiC器件設(shè)計(jì)用于650 V和更高電壓。正是在1200 V和更高電壓下，SiC成為各種應(yīng)用的最佳解決方案。像太陽能逆變器、電動車充電器和工業(yè)AC-DC等應(yīng)用，從長遠(yuǎn)來看都將遷移到SiC。另一個(gè)長期應(yīng)用是固態(tài)變壓器，當(dāng)前的銅和磁鐵變壓器將被半導(dǎo)體取代。
電力電子的下一場革命已經(jīng)來臨。新興的碳化硅和氮化鎵寬禁帶材料將有助于使未來的
電力電子器件更高能效、外形更小，用于各種應(yīng)用。
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