針對電機控制應用選擇寬能隙器件
在功率轉換應用中，使用碳化矽（SiC）和氮化鎵（GaN）材料的寬能隙（WBG）半導體器件作為開關，能讓開關性能更接近理想狀態。相比Si-MOSFET或IGBT，寬能隙器件的靜態和動態損耗都更低。此外還有其他一些優勢，如更高的工作結溫和更好的熱導率，至少碳化矽器件是這樣的。
最重要的是碳化矽的導熱性能要優於矽（Si）。在電機控制領域，上述好處特別有吸引力，不僅可以節約能源，還能讓驅動電子器件減少成本、尺寸和重量。
碳化矽和氮化鎵器件在常態傳導損耗和擊穿電壓方面的極值更高，讓它們具有相比矽器件更好的性能表現（參見下圖）。但在電子領域，選擇哪款器件，很難做到直截了當。隨著銷售額的增長，現有的IGBT和MOSFET技術也在不斷得到提升。因此，我們應當先思考一下，改用寬能隙器件是否有意義，什麼時候改用寬能隙器件比較好，然後再決定是選用碳化矽器件還是氮化鎵器件。
IGBT其實很好用
IGBT在電機控制方面有很多優點，尤其是在大功率的情況下，它們近乎恒定的飽和電壓使傳導損耗保持在較低的水準，並且大致上與傳輸到電機的功率成正比。不過，在開關切換過程中損耗的功率很高，尤其是在關斷時。這是由於少數載流子重新組合時產生尾“電流”，但電機控制器的開關頻率通常很低，因此平均下來損耗量還是很低的。事實上，在IGBT製造過程中，會考慮到尾電流和飽和電壓的平衡。所以會針對10-20 kHz的典型電機脈衝寬度調製（PWM）頻率，對器件損耗進行優化。並聯一個二極體，可以處理反向導通或換向產生的感性負載，或用於雙向功率轉換。這個二極體通常是碳化矽材料的，而且採用了共封裝。也許IGBT最大的優勢在於其較低的成本和經過驗證的穩健性（如果僅從它較大的晶圓帶來更好的熱容這個角度看）。
矽MOSFET在電機控制中也有一席之地
在相對較低的功率（幾千瓦的功率）、1200V左右的條件下，電機控制通常會選用Si-MOSFET，其切換邊界的功率耗散相對較低。電機仍然決定著最佳PWM頻率，在10 kHz左右時，各類器件在開關損耗方面的優勢差距不大。一些高速、低電感電機還會受益于更高的PWM頻率，因為它減少了電流紋波（current ripple），提高了回應能力。
傳導損耗取決於MOSFET的導通電阻，並與電流的平方成正比。因此，隨著功率的增加，MOSFET的性能很快就變得不可接受了。但是，與MOSFET電流平方成比例的損耗也有優勢。對於一部分應用，它們的電機大部分時間在較低或中等功率範圍內運行（相對於最大功率而言，如牽引驅動）。與在集電極-發射極（collector-emitter）上具有幾乎恒定的飽和電壓的IGBT相比，MOSFET在傳導損耗方面具有優勢。MOSFET可以通過並聯減少電阻，而且它們確實有一個優勢，那就是內置了體二極體，可用於換向和雙向傳導。另外，溝道本身也可以在柵極的控制下反向傳導，而且損耗較低。
不同材料的開關器件對比
圖1：矽、碳化矽和氮化鎵器件的理論性能極限值對比
寬能隙器件的利與弊
那麼，寬能隙器件有什麼優缺點呢？圖1顯示，在管芯面積和額定電壓相同的條件下，寬能隙器件的傳導損耗可以低於Si-MOSFET，這是因為寬能隙材料臨界擊穿電壓更高，通道可以更短。氮化鎵更好的電子遷移率也降低了導通電阻。在中低功率下，電流器件的傳導損耗也可以低於IGBT。例如，在50 A時，IGBT飽和電壓1.5 V，導通時耗散75 W功率。導通電阻為30毫歐姆的Si-MOSFET或氮化鎵HEMT（高電子遷移率電晶體）單元也會耗散相同的功率，正如前面所述。如今，1200 V的器件很容易達到這一數字，比如額定電流為60A、芯片電阻為20毫歐姆的onsemi SiC MOSFET NTC020N120SC1。這些MOSFET可以通過並聯獲得更好的性能。但是它們的電阻是在25°C時測算的，而且電阻會隨著溫度的升高而增大。碳化矽 MOSFET和Si-MOSFET一樣，也有一個體二極體。它的速度非常快，反向恢復電荷很低，但比矽器件有著更高的正向壓降，因此在柵極操控溝道反嚮導通之前，必須將其導通時間最小化到“dead time”內。
與矽器件相比，氮化鎵器件在導通電阻和傳導損耗方面也有顯著的提升。然而，目前它們僅適用於650 V左右的額定電壓，只能採用平面結構設計，組成HEMT單元。為了獲得更高的工作電壓，人們正在研究垂直通道結構，但當基底為矽時（這是保持低成本的必要條件），技術突破會非常困難。在氮化鎵橫向HEMT單元中沒有體二極體。反向傳導確實會在通道內發生，而反向恢復電荷實際上為零，但壓降高且不穩定。壓降取決於柵極閾值和使用的任何負柵極驅動電壓。
寬能隙器件的柵極驅動至關重要
柵極驅動對於矽MOSFET和氮化鎵HEMT單元都非常關鍵，兩者的閾值都很低。氮化鎵器件需要小驅動電流實現導通狀態，所需最高電壓也只有7 V左右。碳化矽需要18 V左右才能達到完全飽和，接近其絕對最大值，約為22 V（請注意，實際值取決於具體的碳化矽器件）。因此，需要對柵極驅動合理佈局，避免寄生效應產生的過電壓應力，例如由於連接電感與柵極和雜散電容共振而產生的振鈴。柵極和源極連接的電感也可能導致高di/dt的雜散和災難性導通（見圖2）。米勒電容對高dV/dt也可能造成類似的影響。在電機控制應用中，為了避免電機繞組應力和過大的電磁干擾，通常會故意降低邊緣速率。從高di/dt通過電機機架接地的共模干擾電流也會導致機械磨損。
可以說，器件對佈局和柵極驅動高度敏感是有問題的，但使用專門的柵極驅動器，可能讓解決方案的設計變簡單。隨著集成電源模組的出現，這些困難已經得到解決。然而，外部影響難以預測，寬能隙器件對異常條件的抵禦能力也值得考慮，例如電機控制中經常出現的負載過電壓和短路。Si-MOSFET具有額定雪崩功率，但可靠值仍在通過測試和現場資料進行確定。氮化鎵HEMT單元沒有設定雪崩功率，會在過電壓下瞬間失靈。不過製造商設置的額定值與絕對最大值之間還留有很大的餘地。寬能隙器件的短路能力評估仍在繼續，要達到故障前幾微秒內的合理數值。我們已經注意到，發生過電流事件時，器件會出現緩慢退化和閾值電壓偏移，這在某些應用中可能是一個問題。
高di/dt的效果
圖2：高di/dt導致瞬態柵極的峰間電壓，且發生了共源電感L。
要實現更低的損耗，寬能隙器件是個不錯的選擇
隨著技術的進步，寬能隙器件的價格也降到常規器件的價格區間。在電機控制應用的功率水準不斷提高的情況下，可以考慮使用寬能隙器件，它比IGBT和矽MOSFET具有更低的傳導和開關損耗。儘管單位成本與舊技術相比，還有一定差距，但寬能隙器件的節能因素很關鍵，此外，散熱片尺寸、重量和成本的降低也能為系統帶來額外的好處。碳化矽MOSFET具有更高的額定電壓，能承受更高的電壓和熱應力，在新的電機驅動設計中處於領先地位。但對於低電壓、低功率的應用，您可以選用氮化鎵器件，它可以實現更低的損耗。