随着汽车、空调和工业驱动器变得更加电气化，电力需求在持续增长。功率半导体器件发展也很快，比如近些年的GaN快充应用，成了高端电子产品的充电标配。
每个功率级（发电、配电、转换、消耗）可实现的效率决定了整个电源基础设施的负担程度。在每个阶段，效率低下都会产生热量作为主要的副产品。在许多情况下，需要更多的能量来去除或处理这些热量。因此，减少各阶段废热的产生具有很大的作用。
电力电子设备产生的热量主要在转换阶段产生，主要是由于传导和开关损耗。半导体的效率越高，产生的热量就越少，浪费的能量也就越少。低效半导体所产生的热量是不适合使用的，在很大程度上是不必要的，但由于半导体技术和半导体材料的不断改进，这种热量的产生是可以避免的。
功率半导体在不断发展，但受到终端市场需求的影响不小。今天，任何垂直行业、市场或应用都有自己的电源要求。即使在今天，硅FET也必须满足这些不同的需求，硅FET与基本半导体技术大致相同。对所有人使用相同的技术，损耗可大可小，具体取决于应用，仅仅是由于设备限制。没有一种技术可以处理所有情况。
目前，电源开关有几种不同的选择。功率MOSFET是最基本的器件，主要用于击穿电压低于200V的应用。超级结MOSFET是功率MOSFET的扩展，具有相对较快的开关特性，专为处理高电压而设计。IGBT被认为是双极晶体管和MOSFET的混合体，其开关波形最迟适用于硬开关拓扑，并用于大功率应用。
如今，碳化硅和氮化镓之类的宽带隙(WBG)技术已经成熟，可以在适用于特定电源应用的所有标准中与硅FET和IGBT相媲美。WBG的主要优势之一是它能够在高频下进行有效切换，从而使电源中使用的无源和磁性元件更小。此外，相对较低的反向恢复电流使其成为各种电源拓扑中的二极管替代品，不仅提高了整体效率，而且提供了全新的配置。
WBG功率晶体管的开发为OEM提供了更广泛的开关解决方案选择，并支持替代拓扑以实现更高的效率和更高的功率密度。这些众多选项不仅有利于现有应用，而且还实现了一种全新的实际用电方式。一个很好的例子是图腾柱PFC拓扑，它可以通过选择WBG器件变得更加有用和可行。
纵观当今的许多应用领域，几乎每个领域都对电力电子产品有很大的需求。在汽车行业，动力传动系统正变得更加电气化。随着混合动力汽车和电动汽车的发展，需要AC-DC转换和DC-DC转换来支持车载电池充电和电动机的驱动。可再生能源在电力基础设施总量中占比较大，预计这一比例还会继续增加。光伏发电需要逆变器捕获相对较低电压的直流大电流，将其转换为交流电，可以用于更广泛的输电系统。另一个补充应用是使用电池存储来稳定电力需求。这项技术取代了低效的煤炭和天然气发电机，这些发电机需要在相对较短的时间内为每个电网连接以指定的速度进行物理旋转。
发电方式正在从化石燃料转向可再生的“绿色”能源，如太阳能、风能和波浪。与迄今为止能源部门使用的天然气和煤炭等资源相比，这些可再生能源的兼容性较差。因此，过去每1W的成本很高，但现在这种趋势正在改变。电力电子设备效率的提高是太阳能和风能比化石燃料便宜的原因之一。随着WBG的出现和传统半导体技术的不断进步，可再生能源将成为现实，并将在未来的电气化系统中发挥更大的作用。
效率是电源转换的关键
电气负载所需的电压和电流的幅度非常广泛，它们以从微到兆的单位表示这一事实证明了这一点。当电能达到最终产品时，功率水平被最小化。这种功率水平的受控降低需要转换，并被描述为传输的最后阶段。从效率的角度来看，这也是最重要的。
运行中的电源（发电机）与使用中的耗能设备（电子设备）之比大得无法解释。预计该行业将引入数百亿台新设备作为物联网的一部分，但发电机的数量并没有相应增加。为了维持这一趋势，在电力生命周期的每个阶段提高效率变得很重要。
毫无疑问，物联网会引入相当数量的新设备，但实际上，许多设备已经在运行并消耗电力，并且正在开发和制造类似数量的设备。并非所有这些都连接到全球数据网络，但它们应该以某种方式压倒该国的电网。这些设备中的每一个都效率低下，导致每天损失的总电量，即作为热量耗散的能量。通过为您的应用选择最佳开关技术，可以将这些损耗降至最低。
适用于电源应用的WBG技术的关键特性包括相对较高的电子迁移率、高击穿电压、耐高温和高带隙能量。这些特性使其能够以比传统硅基功率晶体管更高的频率打开和关闭。低导通电阻值也是热损失大的电源电路不可缺少的因素。
例如，GaN晶体管可以以MHz的速率切换数十千瓦。高开关频率使GaN晶体管对RF发射器和放大器等应用具有吸引力，但GaN适合电源电路，因为它可以高速开关高压。同样，SiC在开关速度和电压方面也优于硅FET和IGBT。由于两个品质因数的交叉有限，SiC与GaN技术互补而不是竞争，两者都在高功率开关应用中赢得了设计胜利。
WBG技术的好处是有的，但相对昂贵，而且与硅FET和IGBT相比，SiC和GaN都需要不同的栅极驱动器解决方案。幸运的是，这些技术的供应链正在迅速扩大。安森美半导体现已为所有这些技术制定了战略，包括硅FET、IGBT、SiC和GaN，并提供专门设计用于支持SiC和GaN的栅极驱动器。
在电子工业中众所周知，能量转换总是会导致一些热量损失。然而，随着功率半导体效率的不断提高，业界有望将逆变器和转换器的开关损耗降低到极限。当前，需要增加在所有应用中安装的功率半导体的数量，但同时，也需要不断提高效率。
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