GaAs二極管在高性能功率變換器中的應(yīng)用

GaAs二極管是WBG功率半導(dǎo)體中的全新成員，其為設(shè)計(jì)人員提供了一種能夠在高性能功率變換器中平衡效率與成本的方案。GaAs二極管技術(shù)是由3-5 Power Electronics (3-5pe.com）率先開發(fā)的，其具有Si 二極管的低傳導(dǎo)損耗特性和類似于SiC二極管的動(dòng)態(tài)開關(guān)特性，從而能夠以較低的成本提供優(yōu)異的性能。

簡(jiǎn)介

高壓Si二極管的正向?qū)▔航递^低，但其反向恢復(fù)特性使其在功率變換器中會(huì)產(chǎn)生很大的動(dòng)態(tài)損耗。SiC二極管的反向恢復(fù)損耗可忽略不計(jì)，但與Si器件相比，其體電容和正向?qū)▔航蹈?。借助能夠提供Si二極管和SiC二極管各自性能優(yōu)勢(shì)的GaAs二極管技術(shù)，本文探索并比較了基于不同種類功率器件的10 kW、100 kHz移相全橋轉(zhuǎn)換器（PSFB：Phase Shifted Full Bridge）的性能，其中通過在這種應(yīng)用中對(duì)GaAs二極管、SiC二極管和超快恢復(fù)Si二極管進(jìn)行對(duì)比測(cè)試的結(jié)果表明，GaAs二極管總體效率與SiC二極管的相當(dāng)，而成本相對(duì)大幅降低。

為什么選擇GaAs?

成本 ：用于GaAs二極管的晶圓原材料成本以及其固有的較低制造工藝成本優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)了以更低的成本媲美SiC二極管的性能，其中封裝好了的GaAs二極管的典型成本約為SiC二極管的50％~70％。

可用性 ：GaAs作為一種半導(dǎo)體材料已經(jīng)在射頻應(yīng)用中得到廣泛使用，是目前第二大常用的半導(dǎo)體材料。由于它的廣泛使用，因此可以從與Si材料制造工藝類似的多個(gè)來源來獲得，這些因素都有利于該技術(shù)實(shí)現(xiàn)低成本化。

軟開關(guān)還是硬開關(guān)？

與主流的Si器件相比，SiC在二極管和晶體管的開關(guān)特性方面有了顯著改善，近年來的應(yīng)用趨勢(shì)是使用軟開關(guān)拓?fù)湟允棺儞Q器獲得整體最高性能。GaAs二極管非常適用于這類軟開關(guān)拓?fù)?，使設(shè)計(jì)人員既可以受益于比SiC器件更低的傳導(dǎo)損耗，而又無需承受Si器件中額外的動(dòng)態(tài)損耗。

對(duì)于給定的功率輸出而言，由于實(shí)現(xiàn)零電壓轉(zhuǎn)換需要循環(huán)諧振能量，軟開關(guān)拓?fù)渲械墓β拾雽?dǎo)體器件中會(huì)流過較高的電流有效值。具有較低正向壓降的GaAs之類的科技可以有效降低這種諧振能量引起的損耗，并充分利用零電壓開關(guān)運(yùn)行的優(yōu)勢(shì)。

二極管的損耗

理想的二極管可在不產(chǎn)生任何功耗的情況下實(shí)現(xiàn)其功能，但實(shí)際上任何二極管（包括WBG器件）均會(huì)因其實(shí)際運(yùn)行中各種因素導(dǎo)致功耗產(chǎn)生，從而偏離這一理想狀態(tài)。在大多數(shù)變換器中，損耗歸因于次級(jí)側(cè)二極管影響的主要有以下3部分：

1.當(dāng)二極管流過電流時(shí)，非零正向壓降會(huì)帶來傳導(dǎo)損耗，而這種損耗機(jī)制取決于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通常與頻率無關(guān)。
2.由二極管體電容導(dǎo)致的損耗，其中體電容越大則損耗越大，這部分取決于拓?fù)?頻率，因此產(chǎn)生的損耗會(huì)影響到變換器中的其他元件。
3.由反向恢復(fù)效應(yīng)造成的損耗取決于拓?fù)?頻率，這部分損耗會(huì)在變換器二極管和其他元件中表現(xiàn)出。

上述損耗類型的相對(duì)水平取決于二極管特性、拓?fù)浜烷_關(guān)頻率，正向傳導(dǎo)損耗相對(duì)容易計(jì)算，而二極管體電容和Trr所引起損耗的計(jì)算則相對(duì)復(fù)雜。

二極管特性對(duì)比

在測(cè)試中，我們對(duì)3種二極管進(jìn)行了相關(guān)參數(shù)的比較，具體如圖1所示。

圖1：3種二極管參數(shù)對(duì)比

上述數(shù)據(jù)比較表明，從正向傳導(dǎo)性能的角度來看，Si二極管和GaAs二極管都比SiC二極管的性能更好，尤其是在高結(jié)溫下。從開關(guān)特性角度來看，SiC二極管具有更高的結(jié)電容，但其反向恢復(fù)時(shí)間Trr基本為零。接下來的問題在于針對(duì)10 kW PSFB應(yīng)用，這些二極管特性將如何影響整體效率？

PSFB中二極管引起的損耗

典型PSFB拓?fù)潆娐啡鐖D2所示，其中二極管為D1~D4。

圖2：PSFB拓?fù)?/em>

PSFB通過使Q1/Q3和Q2/Q4晶體管對(duì)分別以50％的占空比運(yùn)行，并通過控制其相對(duì)相位來控制功率流動(dòng)，這種運(yùn)行模式允許一次側(cè)器件Q1~Q4在寬負(fù)載條件范圍下以零電壓開關(guān)運(yùn)行。

D1D4的組合電容和變壓器以及PCB布線的分布電容疊加到一起，導(dǎo)致D1D4兩端在開關(guān)期間會(huì)產(chǎn)生諧振電壓。為防止D1~D4損壞，可使用緩沖電路將諧振電壓鉗位在其可承受范圍內(nèi)。在PSFB中，量化有源緩沖電路吸收的能量是衡量動(dòng)態(tài)特性（體電容和Trr）影響的直接方法。將變換器整體效率與緩沖電路損耗結(jié)合在一起，可以在該應(yīng)用中準(zhǔn)確地對(duì)二極管性能進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。

對(duì)比測(cè)試結(jié)果

變換器樣機(jī)的最大輸出被設(shè)計(jì)為500 V/30 A/10 kW，圖3為變換器在輸入電壓600 V及輸出330 V/20 A運(yùn)行時(shí)的波形，圖中的藍(lán)線（C3）為在有源緩沖電路兩端測(cè)得的電壓，由于鉗位功率是鉗位電壓的直接函數(shù)，因此有源緩沖電路被設(shè)計(jì)為使用單獨(dú)控制環(huán)路工作，從而使用戶能夠?qū)Q位電壓設(shè)置在固定水平，其中圖3中鉗位電壓為800 V。

圖3：PSFB變換器運(yùn)行波形

（C1/C2 為Q1/Q3、Q2/Q4器件對(duì)上的電壓，C3為D1~D4整流輸出電壓且C4為L(zhǎng)2中電流）

利用圖2中詳細(xì)設(shè)計(jì)參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)圖4所示的輸出特性，其中彩色區(qū)域?yàn)橐淮蝹?cè)MOSFET的ZVS運(yùn)行區(qū)域，而等值線則為所需的相移。對(duì)比測(cè)試是在600 Vdc固定輸入下進(jìn)行的，輸出連接恒定電流負(fù)載，然后通過相移改變輸出電壓。效率和緩沖電路功耗與輸出電壓的關(guān)系是在輸出電流分別為10 A、15 A和20 A時(shí)測(cè)量的。

圖4：PSFB在ZVS區(qū)域且在恒定相移等值線下的VI輸出特性

從圖5中的結(jié)果可以得出如下結(jié)論：

*基于GaAs二極管和SiC二極管的解決方案的整體變換器效率幾乎相同，尤其是在較大負(fù)載電流下。在較大輸出電流下，GaAs二極管Trr導(dǎo)致稍高的緩沖電路損耗被其較低的導(dǎo)通損耗所抵消，從而實(shí)現(xiàn)與SiC二極管相同的整體效率。
*由于緩沖電路損耗較大（即與Trr相關(guān)的損耗），超快恢復(fù)Si二極管的效率在此應(yīng)用中表現(xiàn)得非常差。由于測(cè)試均在高緩沖功率水平下進(jìn)行，使用超快恢復(fù)Si二極管進(jìn)行的測(cè)試僅限于低功率區(qū)間。
*GaAs和SiC緩沖電路損耗較為接近，說明GaAs中Trr引起的額外損耗在很大程度上與SiC器件較大的體電容所帶來的損耗相當(dāng)。

圖5：基于GaAs二極管、SiC二極管及超快恢復(fù)Si二極管的PSFB效率對(duì)比測(cè)試（左）及緩沖電路損耗（右）對(duì)比測(cè)試

根據(jù)相關(guān)研究經(jīng)驗(yàn)，我們開發(fā)了一個(gè)分析模型來對(duì)由二極管體電容和Trr引起的緩沖電路損耗進(jìn)行模擬。分析表明，在Trr周期內(nèi)，多余的能量被加載到諧振電路中，從而導(dǎo)致額外的鉗位損耗。因此，對(duì)于給定的工作點(diǎn)，緩沖電路損耗與二極管體電容和Trr呈函數(shù)關(guān)系。對(duì)于本文詳細(xì)介紹的PSFB而言，其在500 V/ 20 A輸出工作點(diǎn)時(shí)可以使用分析模型來預(yù)測(cè)二極管體電容和Trr帶來的緩沖電路損耗，從而可以比較3種二極管的特性，具體如圖6所示。

圖6：PSFB運(yùn)行在500 V/20 A輸出時(shí)由二極管Trr和體電容引起的緩沖電路損耗對(duì)比

從圖6可以看出，GaAs二極管和SiC二極管的緩沖電路損耗大致相同，SiC二極管的零Trr優(yōu)勢(shì)被其體電容較高的劣勢(shì)所覆蓋。由于超快恢復(fù)Si二極管的反向恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，其二極管電容較低的優(yōu)勢(shì)被功耗更高的劣勢(shì)所覆蓋。GaAs二極管低體電容和低Trr的特性使其可以獲得與SiC類似的動(dòng)態(tài)性能表現(xiàn)，并具有正向傳導(dǎo)損耗更低的額外優(yōu)勢(shì)。

PSFB樣機(jī)中的變壓器、輸出電感器和PCB布線中總負(fù)載電容約為300pF，圖6中數(shù)據(jù)在所有情況下都包含該基準(zhǔn)電容，其中二極管總電容則為4個(gè)二極管的電容總和。

結(jié)論

在研究轉(zhuǎn)換器的整體效率時(shí)，重要的是要了解包括二極管動(dòng)態(tài)特性等所有主要損耗產(chǎn)生機(jī)制。上述討論表明，GaAs二極管的低正向壓降、低電容和低/穩(wěn)定Trr的極佳組合使其適合應(yīng)用于PSFB等軟開關(guān)應(yīng)用。

GaAs二極管帶來的系統(tǒng)級(jí)成本優(yōu)勢(shì)可以極大地使諸如電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)等高速增長(zhǎng)的高性能電力電子產(chǎn)品受益。在實(shí)際應(yīng)用中，由二極管引起的正向傳導(dǎo)特性和動(dòng)態(tài)損耗的詳細(xì)知識(shí)為設(shè)計(jì)人員提供了優(yōu)化性能和成本的工具。