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近年來，研究人員和技術人員一直在共同努力，尋找優化器件能效和提高器件性能的解決方案。盡管微控制器在數碼設備上已經達到了非凡的節能水平，但是在功率器件中使用新材料也取得了最佳效果。不久前，人們認為SiC和GaN器件的應用相當困難。但2018年，這些技術的優勢開始應用到現實生活中(比如采用SiC MOSFET的Tesla Model3主逆變器)。這項新技術成功的原因是什么?
SiC和GaN被稱為“寬帶隙半導體”(WBG)，因為將這些材料的電子從價帶擴散到導帶需要能量: 其中硅(Silicon)所需能量為1.1eV，氮化硅(SiC)則需3.3eV，氮化鎵(GaN)則需3.4eV. 這就帶來了更高的擊穿電壓，在某些應用中可高到1200-1700V。通過合適的生產工藝，WBG展現出以下優點：
●極低的內部電阻，與同類硅器件相比，效率可提高70%
●低電阻可改善熱性能(最高工作溫度增加了)和散熱，并可獲得更高的功率密度
●散熱得到優化，與同類硅器件相比，就可以采用更簡單的封裝、尺寸和重量也大大減少
●極短的關斷時間(GaN器件接近于零)能夠工作于非常高的開關頻率，而且工作溫度也更低
傳統的電力電子設備使用的各類器件都可以用WBG器件代替。而傳統的硅器件在許多應用領域都達到了極限。顯然，WBG技術是未來電力電子的根基，將為各種領域的創新應用奠定基礎。
不同的應用所需的功率和頻率性能不同，無論硅器件還是新型WBG器件，每種類型的器件都有其用武之地。
盡管在概念層面上有相似之處，但SiC和GaN器件彼此不可互換，二者因系統的工作要求和使用參數不同而有很大差別。
尤其需要指出，SiC器件能承受更高的電壓，高達1200伏及以上，而GaN器件則能承受的電壓和功率密度要低一些;另一方面，由于GaN器件的關斷時間幾乎為零(由于具有高電子遷移率，其dV/dt電壓大于100V/s，而MOSFET硅器件僅50V/s)，特別適用于非常高頻的應用，可達到極高的能效和性能。但這些理想的特性也會給應用帶來麻煩：如果器件的寄生電容不接近于零，就會產生數十安培的電流尖峰，而在電磁兼容測試階段出現問題。
由于可以采用TO-247和 TO-220封裝，SiC能夠在封裝方面發揮更多優勢，因為這兩種封裝可以讓新的SiC器件快速替換IGBT和MOSFET器件。而采用SMD封裝(更輕、更小但還比較新)的GaN則能提供更優性能。
另一方面，這兩種器件面臨的共同挑戰都與柵極驅動器的設計與構造有關。柵極驅動器應當能夠充分利用特定的分量特征，同時又要關注寄生分量(必須最小化以避免性能降低)和適當的電壓水平(希望類似于驅動傳統硅器件的電壓水平)。
就成本而言，SiC器件現在更便宜，也更普及，因為它們是在GaN之前出現的。然而，不難想象，成本一方面與生產工藝有關，同時也跟市場需求有關，因此市場價格會趨于平穩。
由于GaN襯底的生產成本較高，因此采用GaN“通道”的器件都以硅為襯底。最近，瑞典林克平大學(University of Linkóping)與其剝離公司SweGaN合作進行了一些研究，按照SiC襯底和新的晶圓生長工藝(稱為跨晶異質外延，可防止出現結構缺陷)的想法，獲得了可與SiC器件相媲美的最大電壓，但工作頻率可以達到硅基GaN的水平。這項研究還表明，采用這一機制能夠改善熱管理、獲得3kV以上的垂直擊穿電壓，以及比目前解決方案小一個數量級的通態阻抗等性能。
WBG器件的應用領域仍然是一個小眾市場，研發人員仍然需要更好地了解如何最大限度地發揮其潛力。其最大的新技術市場是二極管市場，但WBG預計將在未來5年內充斥晶體管市場。
潛在應用已在醞釀之中。據預測，電動車、電信網絡和消費電子市場是最合適的目標市場。
根據銷售預測，最有利可圖的市場將是涉及電動車和自動駕駛汽車的市場，其中WBG器件將用于逆變器、車載充電設備(OBC)和防撞系統(LiDAR)。鑒于這類器件的熱特性和能率，可以很好地滿足蓄能器性能優化的要求，人們自然會作出這種預測。
在電信方面，5G將成為WBG的驅動力。待安裝的數百萬個基站將需要更高的能效，并且尺寸將變得更小巧輕便，以顯著提高性能并降低成本。
消費電子市場也將大量采用這類新型器件。移動設備的日益普及和快速充電需求將驅動無線供電和充電設備對新型器件的需求。
英飛凌已經開發了一系列的SiC和GaN MOSFET器件及其CoolSiC和CoolGaN系列驅動器。值得注意的是，其FF6MR12W2M1_B11半橋式模塊它能夠在1200伏的電壓下輸出高達200安培的電流，而其RDS(on)阻抗僅為6 mΩ。該模塊配備了兩個SiC MOSFET和一個NTC溫度傳感器，適用于UPS和電機控制應用，可以改善能效和散熱(圖1)。
Microsemi的產品線中也有一個類似的解決方案，即相腳SiC MOSFET模塊。該模塊采用了SP6LI系列器件，能夠承受高達1700V的電壓和大于200A的電流;AlN襯底可確保更好的熱管理，兩個SiC肖特基二極管可以提升開關頻率。
Wolfspeed公司也在緊追市場，其CAB450M12XM3半橋式器件可以控制高達1200V的電壓和450A的電流，得益于其第三代MOSFETs和SiN襯底的結合，使其能夠在175°C的連續模式下工作。
當我們細看GaN市場時，顯然可用的器件種類是有限的。GanSystem產品目錄中的GS-065-150-1-D是一款采用Island專利技術的晶體管，能夠在超過10MHz的開關頻率下控制高達650V的電壓和150A的電流。
最后，繼宣布推出TP90H050WS場效應管后(將于2020年中期上市)，Transphorm公司開始致力于采用TO-247封裝的GaN器件的開發，其工作電壓高達900V，上升和下降時間約為10nS(圖2)。
圖1：FF6MR12W2M1_B11半橋式模塊
圖2：TP90H050WS場效應管
或許人們還需要等待一段時間才能感受到WBG器件的驚人潛力，但其應用場景正在演變，制造商亦開始提供可靠的解決方案。可以確信的是：WBG器件作為一種新型工具解決了功率器件設計師在這個以“效率”為口號的時代所面臨的問題，這將直接給市場帶來巨大沖擊