使用寬能隙器件做電路設計時的注意事項
說到功率轉換電子器件，每位元設計師都希望用到損耗最小的完美半導體開關，而寬能隙碳化矽（SiC）和氮化鎵（GaN）器件通常被認為是接近完美的器件。不過，想要達到“完美”，只靠低損耗是遠遠不夠的。開關必須易於驅動，不應產生高電磁干擾等不利影響，而且要耐用，當然還要成本低。
柵極驅動至關重要
驅動碳化矽和氮化鎵器件的柵極可能是最重要的考慮因素，在大多數情況下，這比驅動IGBT和MOSFET更難。這兩種成熟技術可以很容易地用0–12 V的電壓驅動，以達到完全飽和，而且相比絕對最大電壓（通常為+/-20 V），還有很大餘地。穩定閾值可能在5 V左右，該條件下器件具有良好的抗噪性，同時峰值電流也比較合理，柵極驅動功率適中，至少在設備通常的切換頻率下是這樣的。
相比之下，碳化矽MOSFET和氮化鎵 HEMT（高電子遷移率電晶體）單元具有更低的柵極閾值，但會有一些滯後（hysteresis）。此外，在高溫條件下，這兩種器件的閾值都會大幅降低，因此，通常必須使用負的關斷狀態電壓來驅動柵極，以避免虛假開啟。這是器件的一個優點帶來的直接結果，即非常快的di/dt會在連接電感中產生電壓瞬變，這可以耦合到柵極電路中。因此，必須非常小心，避免開關電流和柵極驅動回路中出現任何共連接（common connection）。即使是封裝電感也可能有問題，因此許多製造商會在源極加上開爾文連接（Kelvin connection）以減輕影響。
碳化矽和氮化鎵器件非常快的dV/dt也會造成類似的效果，通過漏柵米勒電容將瞬態耦合到柵極。在實踐中，電流和電壓邊緣速率通常通過增加串聯柵極電阻和/或緩衝器故意降低，尤其是在開關頻率通常較低的電機控制應用中。在這種應用中，動態損耗的優勢不太明顯，但寬能隙器件的低傳導損耗是一個優勢。器件的最大邊緣速率通常也會降低，以便將電磁干擾控制在合適範圍內。
碳化矽MOSFET需要高柵極電壓來進行全面增強，通常在15-18 V左右，接近絕對最大值，即最低20 V。負驅動的極限通常也低於矽MOSFET在-7至-10 V左右的極限。此外，在最大建議工作柵極驅動電壓下，器件的短路耐受能力降低，因此碳化矽MOSFET柵極驅動器需要精確的控制和電壓限制，以實現可靠的性能。
氮化鎵HEMT單元與產生隔離柵氧化物的矽MOSFET和碳化矽MOSFET具有完全不同的柵特性。氮化鎵柵極像一個壓降約為3-4V的二極體，通過正向偏置，以幾毫安培電流實現單元導通。標稱閾值約為1.3 V，但在高結溫下可能更接近0.5 V，因此通常建議使用負壓關斷驅動。可以從雙極性電源傳到驅動器，但更簡單的方法，同時也是英飛淩推薦的方法，就是在柵極電路中使用串聯電容器，如下面的電路圖所示。電阻器用於分別控制前緣和下降沿上的dV/dt，並確保穩定運行。
類似二極體的輸入提供了電壓鉗位元，但電流的平均值通常不得超過20mA，以避免器件損壞。在一些積體電路封裝中使用氮化鎵器件，如Nexperia cascode GaN或STMicroelectronics MasterGaN platform，可以將氮化鎵驅動的難題轉移到封裝層面去處理，這樣設計師就不必為此而操心了。專用的氮化鎵驅動器也有利於開發更複雜的驅動方案，從而實現效率和功率密度的目標增益，並保護氮化鎵器件本身。
雪崩能力與短路保護也是要考慮的因素
IGBT和矽MOSFET具有雪崩額定值，能夠承受一定的集電極/漏極過壓產生的能量。碳化矽MOSFET的承受值目前尚不容易測定，一些製造商僅提供估計值。氮化鎵單元本身不具備承受過電壓的能力，遇到過電壓會立即失靈，因此它的最大工作電壓額定值設置得非常保守。
柵極電路串聯電容器
典型氮化鎵單元柵極驅動電路 圖片來源：英飛淩
碳化矽MOSFET確實有規定的短路額定值，與矽MOSFET相當，而氮化鎵MOSFET的額定值不太明確，具有一定的可變性，而且可能累積退化。隨著故障機制得到更好的描述，器件的參數表可能要開始包含短路額定值了。不過寬能隙器件具有自身優勢，其晶片具有更高的最高溫度額定值，而且碳化矽材料的導熱性能要更好，這有助於控制故障條件下的瞬態功耗。
反嚮導通效果不同
在許多功率轉換器電路中，電壓鉗位元需要開關反嚮導通，例如，軟開關變換器拓撲的電機驅動器用例，或者使能雙向能量流。IGBT無法做到這一點，需要外部有損反並聯二極體。矽和碳化矽MOSFET可以在低損耗的情況下反向導通，但它們有一個體二極體，可以在通道被驅動之前的死區時間內進行換向或自然傳導。控制電路通常會將這段時間降至最低，但在此期間，損耗可能會很高。在這方面，當電壓小於1V時，正向壓降約為4V的碳化矽體二極體通常比矽體二極體差很多。然而，碳化矽體二極體的反向恢復能量遠低於矽體二極體。這意味著在“硬”開關變換器拓撲中，碳化矽體二極體動態損耗要低得多。在硬開關變換器拓撲中，體二極體從正向偏置到反向偏置，有可觀的正向電流流動，而氮化鎵 HEMT單元，如同IGBT，沒有體二極體，也就沒有反向恢復損耗。不過在通道中出現反向電壓傳導，這些器件仍能自然換向。然而，通道被主動驅動之前的壓降是很複雜的。包括穿過通道電阻的壓降，加上閾值電壓，再加上任何負的關閉狀態柵極驅動電壓。很容易就增加到5V以上。下圖展示了典型600V級別器件的IGBT、碳化矽MOSFET、氮化鎵 HEMT單元和矽MOSFET之間的一些關鍵性能比較。
開關的比較
典型600V級別器件開關技術的比較
寬能隙器件有所不同，但能大幅提升能效
在討論了碳化矽和氮化鎵器件的一些特性後，可以發現它們的一些缺陷是顯而易見的。然而，製造商正在努力使零件更耐用、更易於使用，並在開發新的變體，如Cascode（共源共柵）的Si-MOSFET，以及碳化矽的JFET（junction-based normally on transistor types），可以解決大部分問題。儘管如此，寬能隙器件的主要優勢仍然成立：功率轉換器的能效可以更高，開關頻率也更高，能量、尺寸、重量減少，並由此帶來磁性元件和散熱器成本的降低。