汽車和工業(yè)電子產(chǎn)品需要高性能的解決方案，在降低設備尺寸的同時提供能源效率和可靠性。近年來，隨著成本的下降，氮化鎵 （GaN） 和碳化硅 （SiC） 器件等寬帶隙半導體已成為這些應用中越來越受歡迎的硅開關替代品。

GaN 開關最流行的應用是逆變器、電壓轉換器和快速充電設備。GaN FET 用于需要高開關頻率（甚至是兆赫級）的電路。GaN 的導通

時間比具有相同 RDS （ON） 的 MOSFET 快四倍。與任何其他功率器件一樣，GaN 晶體管需要正確配置和配對的柵極驅動器，以確保器件完全、快速且無意外地開啟和關閉。

與此同時，與硅相比，碳化硅 MOSFET 技術大大降低了開關損耗，從而提供了更好的導熱性。碳化硅技術被廣泛認為是硅的可靠替代品，通常采用 TO-247 和 TO-220 封裝，可以直接替換現(xiàn)有項目中的 MOSFET 和 IGBT。碳化硅 MOSFET 在更高的工作溫度和頻率下的穩(wěn)定工作吸引了研究人員對其在高功率密度功率轉換器中的應用的興趣。

無線充電

無線充電可在短距離內重新為電池供電，無需任何物理接觸，通過利用高頻電感和諧振等物理現(xiàn)象，在彼此相距一定距離的發(fā)射線圈和接收器之間傳輸能量。在汽車應用中，路面可以嵌入設備，讓兼容設計的電動汽車在道路上行駛時“充滿”電池，而不是插入電源插座充電。

無線電動汽車 （EV） 充電使用電感器（通常放置在瀝青下方）和車載接收器。充電通過磁性板自動進行，磁性板不斷為電池充電，無論車輛靜止還是行駛。由磁場強度變化產(chǎn)生的共振將能量從一個點轉移到另一個點。由于充電器使用功率為數(shù)十千瓦的鋰離子蓄電池，因此只需幾分鐘的充電時間即可為車輛供電數(shù)公里。

GaN Systems 和 WiBotic 聯(lián)手提供高功率無線充電解決方案，這些解決方案被稱為在移動時代實現(xiàn)真正的自治。GaN Systems 廣泛的晶體管產(chǎn)品組合使得為數(shù)據(jù)中心服務器、可再生能源系統(tǒng)、汽車發(fā)動機以及工業(yè)和消費電子產(chǎn)品等要求嚴苛的應用設計更小、更便宜、更高效的電源系統(tǒng)成為可能。WiBotic 為機器人、航空電子設備、移動設備和船舶設備提供無線充電和電源優(yōu)化解決方案。其解決方案可幫助公司優(yōu)化機器人車隊的正常運行時間，并且是各個行業(yè)完全自主機器人操作不可或缺的一部分。

WiBotic 解決方案可為工業(yè) 4.0 工廠環(huán)境中使用的自主機器人提供高功率無線充電。

電力電子在向工業(yè) 4.0 過程的過渡中發(fā)揮著重要作用，專注于升級和更新分布在當前工業(yè)空間中的數(shù)億臺電機、電動驅動器和機器人。工業(yè)用電量占全球用電量的 40% 以上。GaN 器件允許更小、更高效的電機，以及更小的精密機器人。機器人技術將大大受益于發(fā)動機和無線充電的進步。

當前的行業(yè)努力旨在提高移動工業(yè)機器人的能力，使它們擺脫當前方法強加的限制。為了讓這些機器人高效、靈活和不間斷地運行，無線充電站必須實現(xiàn)真正的自主性，無需人工操作員與機器人建立物理連接。功率半導體允許自主無線充電，以非常高的開關頻率運行，以在狹小的空間內實現(xiàn)高功率，這是設計不需要人工干預的充電系統(tǒng)的必要特征。

WiBotic 無線電源系統(tǒng)包括采用 GaN Systems 技術以實現(xiàn)高效率的組件。這些系統(tǒng)允許：

數(shù)百瓦及以上的快速充電；

可以執(zhí)行自主裝載、改變位置而無需浪費鉤操作的機器人；

更多的機器人正常運行時間，這意味著需要更少的機器人來完成相同的工作量；

沒有電纜或移動部件，因此系統(tǒng)可以提供的充電循環(huán)次數(shù)沒有限制。

氮化鎵功率半導體

GaN Systems 的旗艦產(chǎn)品 GS-065-150 是一款 650-V GaN 功率晶體管，該公司稱這是市場上最強大、最堅固的晶體管。據(jù)稱，與典型的 IGBT 相比，該器件可將開關損耗降低 99%。

基于 GAN Systems 功率晶體管的標準充電系統(tǒng)包括一個 50W 無線功率放大器和一個小型高效控制板。它全面涵蓋工業(yè)、太陽能、消費和運輸應用，包括創(chuàng)新的 AC/DC 和 DC/DC 電源、儲能系統(tǒng)、筆記本交流充電器以及用于無人機、機器人、踏板車和 5G 設備的大功率無線充電系統(tǒng)。 最新的汽車創(chuàng)新包括車載 EV 充電器、牽引逆變器和 480 W 四通道 LiDAR 激光驅動器。

碳化硅MOSFET特性

與硅相比，碳化硅在導熱性、開關速度和體積更小的器件方面具有優(yōu)勢。碳化硅超結晶體管具有低開關損耗、高效率、耐高溫能力和承受大電流短路的能力。由于降低了冷卻要求，它們的低導通電阻 （RDS （on）） 和跨工作溫度的出色開關性能簡化了電力電子系統(tǒng)的熱設計，并具有更高的系統(tǒng)效率。SiC 的低開關損耗導致設計更緊湊，并支持更小的無源元件。

“理想的”開關可以在導通狀態(tài)下承載高電流而不會產(chǎn)生壓降，在關斷狀態(tài)下可以阻止高電壓而沒有損耗，并且可以在狀態(tài)之間轉換而不會產(chǎn)生損耗。對于硅，很難同時實現(xiàn)這些特性，尤其是在存在高電壓和電流的情況下。然而，碳化硅 MOSFET 結合了所有三個理想的開關特性：高擊穿電壓、低導通電阻和高開關速度。

目前，碳化硅器件的工作溫度在 150°C 到 175°C 之間，熱限制主要由封裝強加。一些使用特殊技術的 SiC 功率模塊可以在 250°C 下運行。此外，碳化硅的熱導率是硅的三倍。這些特性有助于降低冷卻要求，實現(xiàn)更小、更輕、更便宜的熱系統(tǒng)。

生產(chǎn)中和道路上電動汽車數(shù)量的增加也增加了對通常由 IGBT 驅動的電氣系統(tǒng)的需求。低頻 IGBT 通常用于這些應用的逆變器和開關中。特別是在電動汽車中，壓縮機和加熱器的能耗會影響續(xù)駛里程；因此，需要更高的效率。

汽車市場的另一個趨勢是增加電池容量以提高行駛里程。ROHM Semiconductor 為該市場提供廣泛的產(chǎn)品系列，包括超低功耗微控制器、標準 IC、碳化硅二極管、MOSFET 和模塊。其用于汽車應用的 1，200V IGBT 非常適合用于電子系統(tǒng)的逆變器和用于正溫度系數(shù) （PTC） 加熱器的開關電路。

對節(jié)能的需求不斷增長，導致在 400-VAC 工業(yè)應用中采用基于 SiC 的功率半導體。ROHM 將碳化硅 MOSFET 和用于工業(yè)設備的控制電路集成在單個封裝中，與傳統(tǒng)的基于硅的設計相比，減少了零件數(shù)量，并最大限度地降低了組件故障的風險。該產(chǎn)品與硅相比，能效提高了 5%，能量損失減少了 28%。這些特性轉化為工業(yè)應用中產(chǎn)品尺寸的減小、更高的可靠性和更高的節(jié)能效果。

碳化硅 MOSFET 的性能經(jīng)過優(yōu)化，可最大限度地節(jié)省能源。應用包括通用逆變器、交流伺服系統(tǒng)、可編程邏輯控制器 （PLC）、生產(chǎn)設備、機器人和工業(yè)照明。ROHM 不僅開發(fā)功率半導體，還開發(fā) IC，提供優(yōu)化的解決方案，為工業(yè)設備的更大節(jié)能和更高性能做出貢獻。

審核編輯：郭婷