如何充分利用半導體開關技術提高功率轉換器？

迫在眉睫問題：降低耗能生熱

目前，全球對電能需求處于驚人的高水平，根據國際能源署（International Energy Agency）預測，2020年全球電能需求將接近30皮瓦（petawatt）。對于我們這些只能使用大約幾個kW烤面包機功率的人來說，這幾乎是一個難以理解的數字。而且，考慮到亞洲經濟的快速發(fā)展，該數字還將注定快速增大，當然，這其中重點是增加對可再生資源的需求利用，以減輕氣候變化的影響。在太陽能、風能和其他綠色能源轉換為熱能之前將能量收集，并轉化為電力應該沒有凈增暖作用，但是礦物燃料仍然是主要能源，本應該“鎖定”的能量被以熱量釋放。因此，至關重要的是，提高從原始礦物到有用能量的轉換效率，避免更多的能量流失到環(huán)境，并節(jié)省運營成本。

目前，能源主要應用在工業(yè)過程中，尤其是驅動馬達應用，其次數據中心則緊追其后，而電動汽車充電的需求在未來幾年將會激增。這些應用伴隨從家用電器到手機充電器等許多其他應用，都已經在采用技術創(chuàng)新途經，以最大限度地降低功耗，這其中通常使用的是“智能”技術，例如馬達的變頻驅動器。這就需要使用電子電源，并且關注的重點也是看這些應用如何展現出更低的轉換損耗。在本文中，我們將探討設計人員如何在充分利用半導體開關技術，使高效功率轉換器更易于實現。

電源轉換挑戰(zhàn)和拓撲架構

我們通常都在說“電源轉換器”，但這有點用詞不當，理想的情況是從設備獲得與輸入完全相同的功率輸出。這是電源轉換器設計人員所追求的目標：將電能從配電系統(tǒng)（通常是交流市電或直流母線）轉換為不同的直流電壓，有時甚至轉換為交流電壓，所有這些都不會因為產生廢熱而消耗電能。出于安全或功能方面的考慮，有時需要通過變壓器耦合進行電隔離。無論是否進行主動調節(jié)，輸出電壓可高于或低于輸入電壓，但在所有應用場景下，“開關模式”技術都已經無處不在。

多年來，業(yè)內所使用的半導體開關已從雙極型發(fā)展到硅MOSFET，如今，在IGBT中使用SiC和GaN器件被廣泛用于高壓/大功率應用。轉換器的拓撲架構也得到了改進，在高功率多開關半橋或全橋配置中，最高效的是“諧振”型電路。現在，使用IGBT或MOSFET的三相電橋通常為電機驅動產生交流電。

在所有這些拓撲中，理想的開關在導通或關斷時都不會消耗任何功率，理想的電感器、變壓器或電容器也不會消耗熱量，因此轉換器設計重點是使用性能最接近理想條件的組件，同時最大程度地減少瞬變耗散條件，例如開關在導通和關斷狀態(tài)之間的轉換。在現代設計中，這些“開關”損耗是最重要的考慮因素，并且可能具有很高的峰值（見圖1）。

圖1：MOSFET的峰值功耗在開關轉換期間能夠達到kW級別。

損耗顯然與每秒開關轉換次數（頻率）成正比，因此對于半導體而言，低頻更好。隨著頻率的增加，磁性元件的磁芯損耗也隨之增加，但是它們的尺寸、重量和成本以及銅損也隨之降低，因此所選頻率是一個折衷方案，可以從馬達驅動器中的幾kHz到幾MHz，例如在電信應用中，尺寸問題需要優(yōu)先考慮，需要選擇幾MHz的頻率。

最新的SiC和GaN寬帶隙（wide-bandgap）器件具有非常高的固有開關速度，甚至高到無法測量其值。但是，器件內部及其周圍的寄生電容會將其速度降低到納秒范圍。因此，器件輸出電容COSS，以及對其進行充電和放電所需的能量EOSS是重要的品質因數（FOM），MOSFET的導通電阻RDS（ON）也很重要，尤其在大電流更至關重要。導通電阻與管芯面積的乘積RDS（ON）?A是總損耗的另一個重要品質因數，因為隨著管芯面積減小，電容及其相關的開關損耗也會降低。

寬帶隙半導體簡介

我們首先回顧一下“寬帶隙”（WBG）器件的含義。寬帶隙是指碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）等半導體器件，其中需要相對較高的能量才能將電子從原子“價（valence）”帶移動到其“導（conduction）”帶，在導帶電子可用于電流流動?！皫丁钡牧慷仁请娮臃兀╡V），硅（Si）的帶隙值約為1.1eV，而SiC為3.2eV，GaN為3.4eV。高帶隙值可提供更高臨界擊穿電壓和更低泄漏電流，尤其是在高溫下更是如此。寬帶隙器件還具有更好的電子飽和速度，從而可以更快地開關。SiC還具有特別好的導熱性，在圖2的雷達圖中，將SiC、GaN的屬性與硅進行了比較，在所有情況下，值越高，越靠近圖表邊緣越好。

圖2：寬帶隙材料特性與硅材料比較。

圖2顯示，對于給定厚度，SiC臨界擊穿電壓要比Si高10倍左右，這意味著其漂移層可以薄10倍，摻雜濃度可以是Si的10倍。對于相同阻斷電壓，其導通電阻比Si低很多，并且與Si相比，在相同管芯面積上的損耗也相對較低。加上SiC極高的導熱性，意味著可以實現非常小的芯片，從而具有很好的RDS（ON）?A品質因數值。圖3顯示了IGBT、Si-MOSFET、SiC MOSFET和GaN HEMT器件在特定電壓等級上的RDS（ON）?A品質因數比較。

圖3：寬帶隙器件和硅技術在同等器件電壓下RDS（ON）?A品質因數比較。

我們看到，由于可以采用更小的芯片尺寸，這減小了寬帶隙器件的電容，可實現更快的開關速度，另一個結果是大大降低了柵極驅動器的功率要求。傳統(tǒng)上，尤其是用于MOSFET和IGBT硅器件具備較大的柵極電荷值，以便實現更高效率的開關。對于IGBT而言，有時約為微庫侖量級，對于功率MOSFET而言，約為數百納庫侖。這就需要較大的驅動功率，對于較大的IGBT，功率約為數瓦級，從而造成了系統(tǒng)極大的損耗。對于寬帶隙器件，即便在高頻下，該值也可能僅為毫瓦級。

寬帶隙器件還有其它更多優(yōu)勢。例如，與硅器件相比，它們能夠固有地在更高溫度下工作，一些制造商聲稱其器件可在超過500℃峰值下工作。盡管實際上器件封裝將溫度限制在較低值，但其高峰值溫度運行能力可為克服瞬態(tài)應力提供更堅實的信心。相較硅器件，寬帶隙器件柵極漏電流和導通電阻等重要參數隨溫度變化也要低很多，寬帶隙技術甚至能夠使器件更耐輻射，適用于航空航天等高可靠性應用。

寬帶隙器件發(fā)展近況

在把寬帶隙器件的潛在性能與IGBT和Si-MOSFET進行比較后，可以看出采用寬帶隙器件具有非常令人信服的理由。然而這些IGBT和Si-MOSFET器件仍在功率開關市場中占主導地位，并且隨著新一代器件的使用而不斷完善。作為一種新技術，寬帶隙器件的初始成本高于硅，但一直在降低，而一連串的系統(tǒng)優(yōu)勢會在很大程度上抵消成本問題。例如，寬帶隙器件可以顯著提高系統(tǒng)效率，同時減小系統(tǒng)尺寸和重量，用于散熱以及輸出和電磁兼容（EMC）濾波的電感器和電容器等其他組件成本也相應降低。例如，通過更快的開關速度，對負載變化的更快響應一及更平滑的馬達控制，系統(tǒng)性能也可以得到改善。

寬帶隙器件制造商可以證明，總體而言，使用寬帶隙器件的價值在于可將其用于功率轉換的所有新應用，而且他們已投入大量精力來完善技術，以使部件易于使用而且牢固可靠，特別是在應對馬達驅動器中常見的短路和過壓等故障方面非常有效。例如， Infineon展示了其SiC MOSFET柵極氧化物界面的可靠性，如果存在缺陷，它可能會失效，或者至少會降低溝道遷移率和導通電阻。作為一種有效的解決方案，Infineon選擇了一種溝槽架構（見圖4左），可以在低柵極電場強度下實現低溝道電阻。Infineon的GaN高電子遷移率晶體管（HEMT）器件采用平面架構（見圖4右），與SiC MOSFET不同，HEMT沒有體二極管（body diodes），因此特別適合“硬開關”應用。該架構被設計為與SiC MOSFET一樣在增強模式下工作，但是與它們不同的是，由于沒有柵極絕緣，因此只需要很小的柵極電流來保持器件導通。導通態(tài)柵極閾值電壓也很低，通常約為1.4V。 GaN器件的額定電壓為600V，而SiC則為1200V甚至更高，但在特定電壓額定值下，GaN RDS（ON）的理論極限值與SiC相比要好大約10倍。

圖4：SiC和GaN器件的典型架構。

STMicroelectronics表示其SiC MOSFET器件具有業(yè)界最高的額定溫度值，在1200V可達200℃，在整個溫度范圍內具有同類產品領先的極低導通電阻，以及非?？焖偾依喂痰捏w二極管。在需要換向的電路（例如馬達驅動器）中可以避免采用外部二極管，從而節(jié)省了空間和成本。

ROHM也是SiC MOSFET市場的主要供應商之一，其最新器件可提供具有成本效益的突破性性能。 ROHM據稱開發(fā)了業(yè)界首款具有共封裝（co-packaged）反并聯(lián)SiC肖特基勢壘二極管的SiC MOSFET，可滿足要求苛刻的換向開關應用，其中1.3V并聯(lián)二極管正向壓降更低，因而相較4.6V體二極管損耗更低。

ROHM與寬帶隙領域的另一家公司GaN Systems已經建立合作。 GaN Systems專注于開發(fā)專利的封裝技術，可最大限度地利用GaN的速度和低導通電阻。其“島嶼技術（Island Technology）”是將HEMT矩陣垂直連接橫向布置金屬條，能夠減小電感、電阻、尺寸和成本，無引線鍵合GaNPX封裝技術也可提供最佳的熱性能、高電流密度和低矮外形尺寸。

松下（Panasonic）是GaN市場的另一家領先廠商，它采用專利技術的X-GaNTM器件可實現“常關”運行而不會出現“電流崩塌（current collapse）”，這是GaN的一種效應，在高壓應用中，漏極和源極之間捕獲的電子可以瞬時增大導通電阻，有可能導致器件故障（見圖5）。Panasonic的柵極注入晶體管（GIT）技術也是一項重大進步，能夠構建出一種真正的“常關” GaN器件，該器件可以采用類似于Si MOSFET的柵極電壓來驅動。

圖5：Panasonic 的GaN器件沒有“電流崩塌”現象。

結論

在所有功能方面，寬帶隙器件都能夠勝過硅，現在應用寬帶隙器件的主要障礙是成本、易用性和所需要的可靠性。隨著寬帶隙器件在航空航天到高能效馬達和電動車驅動器，再到效率和體積非常關鍵的普通商用電源適配器等越來越廣泛領域得到應用，大規(guī)模生產業(yè)已成為現實，市場上的主要供應商已經解決了所有上述問題。這里介紹制造商所提供的SiC和GaN寬帶隙器件均可從mouser.com獲取。
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