工业电源
在当今的工业领域，具有高频能力和较低开关损耗的电源是一种有助于降低成本和提高功率密度的电源趋势。先进的拓扑结构和新的控制策略，以及创新的高频磁性设计，为这一领域提供了创造性的解决方案。宽带隙半导体为这些设计提供了最佳性能。
属于工业电源的一些关键电源架构包括并网转换器、太阳能逆变器、感应加热、牵引/电机驱动和不间断电源。
用于工业应用的其他一些关键电源架构
工业变流器效率 - 功率因数校正 (PFC)
功率因数 (PF) 是一个从 -1 到 1 的无量纲数字，定义为实际功率与负载吸收的视在功率之比。功率因数为 1 意味着负载吸收了 100% 的功率。PFC 是通过提高电源功率因数来大大减少浪费电能的关键。在没有 PFC 的情况下，电源会以高幅值的短脉冲消耗电流。有了 PFC，这些脉冲会被平滑化，从而降低输入均方根电流和视在功率。这将有效地调节输入电流，最大限度地提高电源的功率。
要满足不断提高的能效标准，需要 PFC 前端和更高效的半导体器件。下表显示了能源之星 80 Plus 的能效规格。为了实现这一目标，目前的趋势是从简单的桥式整流器和一个大容量电容器来平滑直流输出的纹波，转变为使用图腾柱技术的新技术，这将使电源的效率达到 90% 以上。参见右表 1。
如何做到这一点？去掉标准二极管桥，代之以双增压半无桥拓扑结构或全桥图腾柱高频结构（由 SiC 或 GaN 实现），这样就能使用更小、更经济的周边元件。参见右图 1。
碳化硅功率集成电路具有更高的频率能力，因此电源中的外部元件更小、成本更低。
让我们也来看看基于氮化镓的图腾柱 PFC 解决方案。图 2 中的示例在较高频率段使用 GaN 器件以提高效率，而在开关速度较慢的第二段使用硅 MOSFET。根据对效率的要求，可以在第二段中使用二极管或 MOSFET，以满足成本效益需求。
我们还将研究图腾柱和交流电源之间良好的 EMI 滤波器设计，以满足 EMI 标准。滤波器将减弱来自无电桥图腾柱-功率因数校正（BTP-PFC）电路高速开关的噪声。参见右图 2。
GaN HEMT 功率器件在提高效率的同时，还能通过紧凑的 EMI 滤波器和电感器实现高功率密度的系统优势。氮化镓电路可设计为在高频率下工作，满足 EMI 要求，并实现高功率密度和高效率。
并网变流器
并网变流器控制电力公用事业三相输出到各种负载以及储能和发电设备之间的功率流。并网三相交流/直流（或直流/交流）功率转换在广泛的工业应用中都是必需的，包括风能、太阳能和电池储能等可再生能源系统的电力电子接口。
对于双向电源应用，使用 SiC MOSFET 的两级拓扑结构比 Si IGBT 有明显改善。与 1200V IGBT 相比，SiC 功率器件大大降低了开关损耗。SiC 器件还扩展了使用两电平六开关转换器架构的开关频率范围，从而保持了更高的满载和部分负载效率。参见右图 3。
与 Si IGBT 相比，SiC MOSFET 改进设计的另一个例子是，由于磁性更小、散热片更小或无散热片，系统的功率密度显著提高。SiC MOSFET 设计的另一个优点是，器件的体二极管（如图 1 所示）可用作反并联二极管，从而降低电路成本和复杂性。
注：SiC MOSFET 只能承载正向电流（n 沟道 MOSFET，从漏极到源极）。如果负载是电感式的，有时开关（MOSFET）必须导通，但电流流向相反。二极管为电流提供了流动路径。如果不使用二极管，电感电流会立即停止，从而产生高电压峰值。
并网变流器
这种使用 WBG 设备的拓扑结构的优势在于
- 降低总体能耗
- 更高的效率
- 改善热性能
- 缩小电源尺寸，减轻重量
直流-交流变频器
常见的直流-交流逆变器包括用于交流电机驱动器的单相和三相逆变器级（右图 5）和太阳能逆变器（右图 6）。
太阳能逆变器和交流电机驱动器等应用因使用 WBG 半导体而受益匪浅。
这种设计的世行集团电力优势在于
- 降低电路复杂性
- 效率高、功率密度大
- 改善热性能
- 双向电力流动能力（电池到电网）
IT 电源使用碳化硅
数据中心消耗的电能占美国总电能的 2% 至 4%。这意味着，IT 电源（或服务器电源）将在效率和运营成本方面发挥巨大作用。
数据中心耗电量大，效率提高一点点就能节省大笔电费。数据中心的冷却耗电量可高达电费的 40%。电源设计人员正在集成 SiC 二极管和 MOSFET，并取得了良好的效果。SiC 元件的峰值效率超过 98.5%，大大降低了发热量。
当数据中心在其带有 PFC 的电源设计中采用碳化硅 MOSFET 和二极管或氮化镓器件时，服务器的散热性能将得到改善，仅冷却一项就可节省 40% 的能源成本。与此同时，运行成本将下降，开关频率将提高到峰值效率 98.5% 以上，从而达到 80+ 钛标准。从 2010 年到 2020 年，运行 SiC 设备的服务器将节省 6200 亿千瓦时的能源。
家电需要满足严格的能源之星评级要求
就拿冰箱来说吧，更换一台技术较老的设备，使其达到能源之星的标准。这样做，消费者可以在该电器 12 年的使用寿命内节省 200 多美元。
在 BTP-PFC 电源中使用氮化镓和碳化硅功率器件进行设计，可实现 95% 以上的效率，而散热和废热损失仅为 5%。氮化镓和碳化硅可使效率在 5%的损耗基础上提高 1%。效率提高 1%，相当于散热减少 10%。这使得散热器、磁性元件和电容器的体积更小，在 PC 板上的占位面积更小。
在-40摄氏度至+175摄氏度的工作温度范围内，Wolfspeed分立封装具有业界最低的导通电阻，60mΩ SiC MOSFET在175摄氏度时的RDS（on）为79 mΩ，仅为25摄氏度时额定值的1.3倍。
表 1： 80 PLUS 效率规格
图 1：左图是使用硅功率集成电路的双增压半无桥 PFC；右图是使用碳化硅功率器件的混合图腾柱 PFC（图片来自 Wolfspeed 公司）
图 2：带 EMI 滤波器的典型 BTP-PFC 电路（图片来自 GaN Systems）
图 3：使用碳化硅 MOSFET 的两电平转换器功率级（图片来自 Wolfspeed）
图 4：带 PFC 的工业交流/直流电源，然后是直流/直流电源转换器（图片来自 Wolfspeed）
图 5：用于交流电机驱动的三相逆变器级
图 6：太阳能逆变器
与硅相比，WBG 功率器件的优势
使用硅基功率器件的传统电力电子转换器将无法满足对更高能效、控制带宽、功率密度和开关频率日益增长的需求。
开关频率越高，磁性越小，工作温度越高，尤其适用于苛刻的工业应用。
当我们将硅与氮化镓和碳化硅进行比较时，会发现这些器件具有一些独特的特性，可以在更低的漏电流和更高的电压下工作。事实上，通过提高电子迁移率和电子饱和速度，可以实现更高的工作频率。与硅器件相比，WBG 半导体具有更低的本征载流子浓度（10-35 数量级）、更高的热导率（3-13 倍）、更高的击穿电场（4-20 倍）和更大的饱和速度（2-2.5 倍）。
碳化硅的电子迁移率也高于硅，而氮化镓的电子迁移率则高于硅和碳化硅。这意味着氮化镓在极高频率下具有最佳性能。据预测，SiC/GaN 与硅之间的总价格差距将继续稳步缩小。此外，在最高开关频率应用中，就增加的成本而言，氮化镓将比碳化硅甚至硅具有更好的性能。
我们再来看看热导率，它是另一个关键因素：热导率越高，热传导性能就越有效。碳化硅的热导率高于氮化镓或硅，因此理论上碳化硅器件能够在比氮化镓和硅器件更高的功率密度下工作。总之，SiC 半导体具有更高的热导率、更宽的带隙和更高的击穿场，因此在大功率应用中比其他半导体器件更具优势。
总之，碳化硅和氮化镓分立器件正在向高含量模块发展，从而降低成本、减小尺寸并提高性能。WBG 器件在取代硅器件方面取得了长足进步，具有降低开关损耗、减少冷却体积和降低热解决方案成本的优势。
