下一代電源系統(tǒng)設(shè)計中的新型寬禁帶技術(shù)

當務(wù)之急：盡可能降低發(fā)熱量

根據(jù)國際能源署的數(shù)據(jù)，全球電能需求目前處于驚人的水平，預(yù)測到2020年將達到近30拍瓦。對于我們這些認為幾千瓦的烤面包機就屬高功率的普通人來說，這幾乎是一個無法想像的數(shù)字。主要受亞洲經(jīng)濟體的驅(qū)動，這個數(shù)字一定還會增加，當然，現(xiàn)在有一項關(guān)注重點是通過可再生能源滿足這種需求，以便緩解氣候變化影響。截留太陽輻射、風能和其他綠色能源，在其轉(zhuǎn)化為熱量前提取電力，這樣的方法應(yīng)該沒有凈增溫效應(yīng)。但是化石燃料仍然是主要的能源，它們會釋放出本來會被“鎖定”的熱量。因此，在從原礦到有用功的轉(zhuǎn)換過程中，效率非常關(guān)鍵，較高的效率可以避免過多的能量損失到環(huán)境中，同時也節(jié)約了成本。

當今能源的主要用途是工業(yè)生產(chǎn)，特別是驅(qū)動電機，但數(shù)據(jù)中心消耗的能源也不少，此外電動汽車 (EV) 的充電需求在未來幾年也會有爆炸性的增長。在這些應(yīng)用以及從家用電器到手機充電器的許多其他應(yīng)用中，都可以看到極力降低功耗的技術(shù)創(chuàng)新，它們都利用了“智能”技術(shù)，例如電動機的變頻驅(qū)動器。這牽涉到使用電子電源，它們現(xiàn)在穩(wěn)穩(wěn)占據(jù)著業(yè)界的C位，能量轉(zhuǎn)換損失比以往更低。在本文中，我們將著眼于設(shè)計人員在現(xiàn)階段如何使用半導體開關(guān)技術(shù)，從而更容易地實現(xiàn)高效的功率轉(zhuǎn)換器。

功率轉(zhuǎn)換挑戰(zhàn)和拓撲

我們都在講“功率轉(zhuǎn)換器”，但這個名稱其實有點不恰當——它的理想情況是實現(xiàn)設(shè)備的輸出功率與輸入功率完全相同才對。這就是功率轉(zhuǎn)換器設(shè)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(zhuǎn)換為不同的直流或交流電壓，同時又不會將任何電能耗散為廢熱。出于安全或功能性的原因，有時需要通過變壓器耦合進行電氣隔離；輸出電壓可能高于也可能低于輸入電壓，或者經(jīng)過或不經(jīng)過主動調(diào)節(jié)，但在所有情況下，“開關(guān)模式”技術(shù)都已變得無處不在。

多年來，雙極型半導體已成為需要電控開關(guān)應(yīng)用的常規(guī)選擇，例如在功率轉(zhuǎn)換和電機驅(qū)動器應(yīng)用中。但這種趨勢已經(jīng)發(fā)生了變化，最初是緣于金屬氧化物半導體場效應(yīng)管 (MOSFET)，現(xiàn)在則是氮化鎵 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 器件。諸如絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 等GaN和SiC器件憑借其優(yōu)異的熱性能和高開關(guān)能力，非常適合高壓和大功率開關(guān)應(yīng)用。

轉(zhuǎn)換器的拓撲也得到了改進，其中最有效的就是大功率下多開關(guān)半橋或全橋配置中的“諧振”類型。使用IGBT或MOSFET的三相橋現(xiàn)在通常用于產(chǎn)生電機驅(qū)動器的交流電。在所有這些拓撲中，理想的開關(guān)在打開或關(guān)閉時都不會耗散任何功率，理想的電感器、變壓器或電容器也不會耗散熱量，因此轉(zhuǎn)換器設(shè)計的重點是使用性能最接近理想值的元件，同時盡可能減少瞬變耗散條件，例如開關(guān)在接通和斷開狀態(tài)之間的開關(guān)擺幅。在現(xiàn)代設(shè)計中，這類“開關(guān)”損耗造成的能量耗散最多，并且具有很高的峰值。

這些損耗顯然與每秒開關(guān)轉(zhuǎn)換次數(shù)（頻率）成正比，因此對于半導體而言，頻率越低越好。隨著頻率的增加，磁性元件的鐵心損耗也隨之增加，但是它們的尺寸、重量和成本卻隨著銅損降低，因此在選擇頻率時需要折衷考慮，最終結(jié)果既有可能是電機驅(qū)動器中的幾kHz，也有可能是需要優(yōu)先考慮尺寸時（如在電信應(yīng)用中）的幾MHz。

最新的SiC和GaN寬禁帶器件固有的開關(guān)速度非?？欤灾劣跓o法測量。但器件內(nèi)部和周圍的寄生電容卻可能將這一速度降低到納秒范圍。因此，設(shè)備輸出電容 (COSS) 和充放電所需能量 (EOSS) 是重要的品質(zhì)因數(shù) (FOM)，MOSFET的導通電阻RDS(ON)也是如此，后者在高電流的場景至關(guān)重要。導通電阻和管芯面積的乘積RDS(ON)?A是總損耗的另一個重要FOM，隨著管芯面積的縮小，電容及其相關(guān)的開關(guān)損耗也會降低。

認識寬禁帶半導體

讓我們來解釋一下我們說的“寬禁帶”(WBG) 器件是什么意思。它們是SiC和GaN半導體，需要相對較高的能量才能將電子從原子的“價”帶移動到其“導”帶，從而使電子流過?！敖麕А钡亩攘繂挝皇请娮臃?(eV)，硅 (Si) 的這個值約為1.1eV，SiC是3.2eV，GaN則是3.4eV。高禁帶值產(chǎn)生了更高的臨界擊穿電壓和更低的泄漏電流，在高溫下尤其如此。因而，WBG器件還具有更好的電子飽和速度，因而能加快開關(guān)速度。SiC器件還容易表現(xiàn)出優(yōu)異的導熱性。

我們知道，較小的管芯尺寸可減少WBG器件的電容并實現(xiàn)更快的開關(guān)速度。小管芯尺寸的另一個結(jié)果是大大降低了柵極驅(qū)動器的功率要求。在用于MOSFET和IGBT硅片的傳統(tǒng)技術(shù)中，產(chǎn)生有效開關(guān)需要較高的柵極電荷值，有時對于IGBT可達微庫侖的數(shù)量級，對于功率MOSFET則約為數(shù)百納庫侖。這就需要很大的驅(qū)動功率，對于較大的IGBT，功率需要達到瓦特的數(shù)量級，從而造成了顯著的系統(tǒng)損耗。對于WBG器件而言，即使在很高的頻率下，損耗也僅為毫瓦級。

此外，WBG器件還有更多優(yōu)勢。例如，它們本身就能夠在比硅更高的溫度下工作，一些制造商甚至表示他們的器件可在超過500°C的峰值下工作。盡管封裝實際上將溫度限制在較低的工作溫度范圍內(nèi)，但高峰值能力可以保證瞬態(tài)壓力條件下的可靠性。與硅相比，WBG器件的柵漏和導通電阻等在臨界值隨溫度的變化也要低得多，寬禁帶甚至使這些器件更耐輻射，適用于航空航天中的高可靠性應(yīng)用。

WBG器件的發(fā)展

盡管IGBT和硅MOSFET仍在功率開關(guān)市場中占主導地位，并且隨著新一代的出現(xiàn)而不斷得到改進，但是將WBG器件的潛在性能與之進行比較時，使用WBG器件的案例仍然引人注目。作為新興技術(shù)，WBG的成本一開始要高于硅，但其價格正在下降，并且連鎖系統(tǒng)的優(yōu)點在很大程度上抵消了這一點。例如，這些器件的效率可能會得到顯著提高，與此同時，尺寸、重量和相應(yīng)的其他元件（例如散熱片）以及在輸出和EMC濾波中使用的電感器和電容器的成本也會相應(yīng)降低。此外，系統(tǒng)功能性能也會隨著更快的開關(guān)速度、更快的負載變化響應(yīng)和更流暢的電機控制而得到改善。

WBG器件制造商

總體而言，WBG器件制造商可以有理由說，使用他們器件的價值在于任何存在功率轉(zhuǎn)換的新應(yīng)用都需要考慮到這些器件，并且他們也努力不懈地完善技術(shù)，使部件易于使用并且堅固耐用，尤其是在電機驅(qū)動器中常見的短路和過電壓等故障狀態(tài)下。

讓我們看一些WBG器件制造商，以及他們?nèi)绾螌BG技術(shù)結(jié)合到他們的產(chǎn)品中。

英飛凌

英飛凌展示了其SiC MOSFET柵極氧化物界面的可靠性。這種界面如果存在缺陷，就可能會失效，或者至少會降低通道遷移率和導通電阻。作為解決方案，它選擇了一種溝槽結(jié)構(gòu)，可在低柵極電場強度下實現(xiàn)低通道電阻。英飛凌的GaN高電子遷移率晶體管 (HEMT) 器件采用了一種平面結(jié)構(gòu)。不同于SiC MOSFET，HEMT沒有體二極管，這使得它們特別適合“硬開關(guān)”應(yīng)用。其結(jié)構(gòu)被設(shè)計成與使用SiC MOSFET一樣的增強模式工作，但不存在柵極絕緣，因此需要小的柵極電流來保持器件導通。

其連通態(tài)柵極閾值電壓也很低，通常約為1.4V。GaN器件的額定電壓水平為600V，相比之下SiC為1200V或更高，但在特定額定電壓下GaN RDS(ON) 的理論極限約為SiC的10倍。

STMicroelectronics

STMicroelectronics宣稱其1200V SiC MOSFET具有業(yè)內(nèi)超高的額定溫度，達到了200°C，在這個溫度范圍內(nèi)具有出色的超低導通電阻。這避免了電動機驅(qū)動器等當中的換向電路對外部二極管的依賴，從而節(jié)省了空間和成本。

ROHM

ROHM也是SiC MOSFET市場上的主要參與者，其新器件具有高性價比和突破性的性能。ROHM推出了一款共同封裝了反并聯(lián)SiC肖特基勢壘二極管的SiC MOSFET，可用于要求苛刻的換向開關(guān)應(yīng)用，其中并聯(lián)二極管在1.3V時較低的正向壓降產(chǎn)生的損耗低于4.6V時的體二極管。

ROHM還與WBG領(lǐng)域的另一家公司GaN Systems開展合作。GaN Systems是一家專注于專利封裝技術(shù)的公司，這些技術(shù)充分利用GaN的速度和低導通電阻特點。其“Island Technology”（島技術(shù)）將HEMT單元的矩陣與橫向排列的金屬條連接起來，以減少電感、熱阻、尺寸和成本。其無引線鍵合的GaNPX封裝技術(shù)可提供出色的熱性能、密度和低厚度。

Panasonic

Panasonic是GaN市場的另一家主要參與者，其采用專利技術(shù)的X-GaNTM器件可以實現(xiàn)“常斷”操作而沒有“電流崩塌”?！半娏鞅浪笔且环NGaN效應(yīng)，指的是漏極之間的俘獲電子在施加高壓時會瞬時增加導通電阻，從而可能導致器件故障（圖4）。Panasonic柵極注入晶體管 (GIT) 技術(shù)也是一項重大進步，這項技術(shù)帶來一種真正的“常閉”GaN器件，可使用類似于硅MOSFET的柵極電壓來驅(qū)動。

圖4：Panasonic GaN電池沒有出現(xiàn)“電流崩塌”。（來源：Panasonic）

結(jié)論

寬禁帶器件在各種功能性的方面都勝過了硅，而在采用方面的障礙實際上在于成本、易用性和經(jīng)過證明的可靠性。所有這些問題都已被市場上的主要參與者解決，大規(guī)模生產(chǎn)現(xiàn)在已經(jīng)成為現(xiàn)實。從航空航天到高能效電機和電動車的驅(qū)動，乃至日常使用的適配器，寬禁帶器件在效率和尺寸占據(jù)關(guān)鍵因素的領(lǐng)域擁有非常廣泛的應(yīng)用前景。

審核編輯：郭婷