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(shè)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(dǎo)體已成為這些應(yīng)用中越來越受歡迎的硅開關(guān)替代品。

GaN 開關(guān)最流行的應(yīng)用是逆變器、電壓轉(zhuǎn)換器和快速充電設(shè)備。GaN FET 用于需要高開關(guān)頻率（甚至是兆赫級）的電路。GaN 的導(dǎo)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(qū)動器，以確保器件完全、快速且無意外地開啟和關(guān)閉。

與此同時，與硅相比，碳化硅 MOSFET 技術(shù)大大降低了開關(guān)損耗，從而提供了更好的導(dǎo)熱性。碳化硅技術(shù)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(zhuǎn)換器中的應(yīng)用的興趣。

無線充電

無線充電可在短距離內(nèi)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(yīng)用中，路面可以嵌入設(shè)備，讓兼容設(shè)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(zhuǎn)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(wù)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(yīng)用設(shè)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(shè)備、移動設(shè)備和船舶設(shè)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(dāng)前工業(yè)空間中的數(shù)億臺電機、電動驅(qū)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(shù)將大大受益于發(fā)動機和無線充電的進步。

當(dāng)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(dāng)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(dǎo)體允許自主無線充電，以非常高的開關(guān)頻率運行，以在狹小的空間內(nèi)實現(xiàn)高功率，這是設(shè)計不需要人工干預(yù)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(shù)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(dǎo)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(guān)損耗降低 99%。

基于 GAN Systems 功率晶體管的標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)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(shè)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(qū)動器。

碳化硅MOSFET特性

與硅相比，碳化硅在導(dǎo)熱性、開關(guān)速度和體積更小的器件方面具有優(yōu)勢。碳化硅超結(jié)晶體管具有低開關(guān)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(dǎo)通電阻 （RDS （on）） 和跨工作溫度的出色開關(guān)性能簡化了電力電子系統(tǒng)的熱設(shè)計，并具有更高的系統(tǒng)效率。SiC 的低開關(guān)損耗導(dǎo)致設(shè)計更緊湊，并支持更小的無源元件。

“理想的”開關(guān)可以在導(dǎo)通狀態(tài)下承載高電流而不會產(chǎn)生壓降，在關(guān)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(zhuǎn)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(jié)合了所有三個理想的開關(guān)特性：高擊穿電壓、低導(dǎo)通電阻和高開關(guān)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(shù)的 SiC 功率模塊可以在 250°C 下運行。此外，碳化硅的熱導(dǎo)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(qū)動的電氣系統(tǒng)的需求。低頻 IGBT 通常用于這些應(yīng)用的逆變器和開關(guān)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(biāo)準(zhǔn) IC、碳化硅二極管、MOSFET 和模塊。其用于汽車應(yīng)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(guān)電路。

對節(jié)能的需求不斷增長，導(dǎo)致在 400-VAC 工業(yè)應(yīng)用中采用基于 SiC 的功率半導(dǎo)體。ROHM 將碳化硅 MOSFET 和用于工業(yè)設(shè)備的控制電路集成在單個封裝中，與傳統(tǒng)的基于硅的設(shè)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(fēng)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(zhuǎn)化為工業(yè)應(yīng)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(yīng)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(shè)備、機器人和工業(yè)照明。ROHM 不僅開發(fā)功率半導(dǎo)體，還開發(fā) IC，提供優(yōu)化的解決方案，為工業(yè)設(shè)備的更大節(jié)能和更高性能做出貢獻。

審核編輯：郭婷