使用寬帶隙推動提高效率的下一代電源設(shè)計擴(kuò)大了性能差距

不久前，全球能源需求預(yù)計將繼續(xù)呈指數(shù)增長，但 2020 年的健康危機(jī)導(dǎo)致需求下降，一些主要經(jīng)濟(jì)體在每周的某些時段內(nèi)需求下降了 25% 以上。然而，預(yù)計主要由中國和印度經(jīng)濟(jì)推動的全球反彈將刺激兩位數(shù)的 GDP 增長。

與此同時，聯(lián)合國制定了普遍獲得負(fù)擔(dān)得起的能源和擴(kuò)大基礎(chǔ)設(shè)施的目標(biāo)。這種增加能源消耗和發(fā)電的壓力可以被視為減少 CO 2排放的障礙，因此聯(lián)合國的目標(biāo)還包括將全球能源效率的提高速度提高一倍。工程師們可能想知道這在真正的科學(xué)術(shù)語中意味著什么。它設(shè)定了一個基線要求，即在從公用事業(yè)規(guī)模到負(fù)載點(diǎn)以及從工業(yè)到電信和家庭的所有應(yīng)用領(lǐng)域，不斷做得更好并最大限度地減少電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計中的損耗。

功率轉(zhuǎn)換器中使用的半導(dǎo)體開關(guān)技術(shù)是改進(jìn)的關(guān)鍵，而使用碳化硅 （SiC） 和氮化鎵 （GaN） 的新型寬帶隙（WBG） 類型有望取得重大進(jìn)展。讓我們詳細(xì)研究一下這些優(yōu)勢。

電源轉(zhuǎn)換的挑戰(zhàn)

工程師的術(shù)語也可能有點(diǎn)不精確：功率沒有轉(zhuǎn)換。理想情況下，在 AC/DC、DC/DC或 DC/AC 系統(tǒng)中輸入和輸出是相同的。但是在這個過程中不可避免地會經(jīng)歷一些損失，這是我們盡量減少的。出于安全或功能原因，通常需要電壓轉(zhuǎn)換以及調(diào)節(jié)和電流隔離，并且整個過程使用開關(guān)模式技術(shù)以獲得最佳效率。

開關(guān)模式下的開關(guān)是晶體管，最初是雙極結(jié)型，但現(xiàn)在最常見的是金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 （MOSFET） 或絕緣柵雙極晶體管 （IGBT），用于更高的電壓和功率水平。我們寄希望于的 WBG 器件通常是 SiC MOSFET，類似于硅類型和 GaN 高電子遷移率晶體管 （HEMT） 單元，它們更類似于制造的結(jié)柵場效應(yīng)晶體管 （JFET）在增強(qiáng)模式下，它們通常以零柵極電壓關(guān)閉。稍后我們將更詳細(xì)地研究這兩種類型。兩者都比同類硅 MOSFET 具有更低的導(dǎo)通電阻和開關(guān)損耗，但前提是它們被最佳驅(qū)動，這是它們使用中的挑戰(zhàn)之一?？梢允褂迷S多不同的基本拓?fù)鋪碓O(shè)計電源轉(zhuǎn)換器，選擇最好的可能是一個決定成敗的決定。這取決于您的優(yōu)先級，但如果這是效率，那么諧振拓?fù)渫ǔＪ抢硐氲摹２贿^，硬開關(guān)、非諧振拓?fù)湟灿衅湟幌?，而且有時是唯一的選擇，例如圖騰柱功率因數(shù)校正 （PFC） 級。但在這些情況下，使用 WBG 半導(dǎo)體仍然可以產(chǎn)生良好的效率。

無論選擇哪種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和半導(dǎo)體技術(shù)，我們將損耗降至最低的目標(biāo)都集中在器件導(dǎo)通電阻和開關(guān)或動態(tài)損耗上。無源元件總會有損耗，但與開關(guān)損耗相比，這些通常在噪聲中。也存在一些互動。例如，GaN 可以實現(xiàn)非常高頻的操作，其中磁性更小，銅更少，從而降低了歐姆損耗。此外，還可以選擇一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通常是多相方法，其中輸入和/或輸出紋波電流可以被布置為抵消，從而減少電容器等效串聯(lián)電阻 （ESR） 元件中的損耗。

選擇很簡單：為更好的設(shè)備支付更多費(fèi)用，或者考慮將設(shè)備并聯(lián)以減少導(dǎo)通電阻損失。后一種方法具有不成比例的好處。舉個例子，讓我們比較兩個設(shè)備：每個設(shè)備中流過一半的電流，與同類型的一個設(shè)備相比，每個設(shè)備的功率是四分之一，因為 I 2 R 的平方。因此可以得出結(jié)論，兩個設(shè)備耗散總共是一個的一半的力量。然而，四分之一的功率在每個器件中產(chǎn)生的溫升要低得多，并且 R DS（on）會隨溫度顯著增加（圖 1）。每個器件的導(dǎo)通電阻更低，整體耗散也更低。R DS（on）的正溫度系數(shù)有助于電流共享。但除了成本之外，代價是驅(qū)動功率增加，整體組合開關(guān)電容增加，這會減慢開關(guān)速度并增加動態(tài)損耗。

圖 1：典型的 SiC MOSFET 導(dǎo)通電阻隨芯片溫度的變化（1，200V 器件）

開關(guān)損耗比傳導(dǎo)損耗更受應(yīng)用電路的影響。理論上，SiC 和 GaN 都可以快速切換，以致同時電流和電壓的任何瞬態(tài)耗散僅持續(xù)幾納秒。如果頻率被推高，每秒的邊沿數(shù)增加，平均功率損耗增加。磁芯損耗也隨著頻率而增加，因此為特定拓?fù)溥x擇開關(guān)頻率是開關(guān)損耗、磁芯損耗以及更小、更便宜和更輕的磁芯優(yōu)勢之間的折衷。EMI 也是一個因素，它可以在高頻下使用較小的濾波器進(jìn)行控制，但來自快速邊沿速率的 EMI 可以通過潛行路徑繞過濾波器并導(dǎo)致它們自身的問題。

在一些現(xiàn)代應(yīng)用中，例如逆變器和電機(jī)驅(qū)動器，開關(guān)頻率保持在較低水平，有時甚至低于 10 kHz，因為磁性元件的尺寸不像電機(jī)那樣直接隨頻率而變化。因此，提高頻率并沒有什么好處，除了電機(jī)控制響應(yīng)性和平滑度的一些改進(jìn)，因此 IGBT 仍然在這些領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位，尤其是在更高功率的情況下。然而，快速 WBG 器件正在進(jìn)入應(yīng)用領(lǐng)域，因為它們在開關(guān)損耗方面的優(yōu)勢即使在低頻下仍然可以有效提高系統(tǒng)效率，并且傳導(dǎo)損耗可以與 IGBT 相媲美，當(dāng)然在較低功率水平下也是如此。

WBG半導(dǎo)體簡介

我們已經(jīng)暗示了 SiC 和 GaN 為功率轉(zhuǎn)換帶來的優(yōu)勢，但稍微解釋一下它們的基礎(chǔ)知識可能會有所幫助。帶隙是指將材料中的電子從原子價帶移動到導(dǎo)帶所需的能量，在那里它們可用于電流流動。在 WBG 材料中，該能量高于硅：SiC 為 3.2 eV，GaN 為 3.4 eV，而硅為 1.1 eV。更高的帶隙導(dǎo)致半導(dǎo)體中更高的臨界擊穿電壓和更低的泄漏電流，以及更高溫度操作和一定程度的輻射硬化的額外好處。盡管它們可以在超過 500°C 的溫度下工作，但 SiC 和 GaN 器件受封裝技術(shù)的限制，通常在 200°C 左右。然而，有效地增加了瞬態(tài)功耗的故障容限。該材料還具有更高的飽和電子速度，以實現(xiàn)更快的切換。使用 SiC，熱導(dǎo)率比硅好得多，允許在相同的功耗和溫升下使用更小的芯片。圖 2 總結(jié)了這些特性。

圖2：與硅相比的寬帶隙材料特性

與硅相比，導(dǎo)通電阻有所提高，因為在相同的額定電壓下，漂移層厚度可以減小，從而降低RDS（On）。在制造中，通過增加芯片中并聯(lián)單元的數(shù)量始終可以降低導(dǎo)通電阻，但這是以犧牲更大的芯片面積a為代價的，這會增加器件電容。這降低了開關(guān)速度并增加了成本，因為每個晶片的芯片產(chǎn)量降低了。因此，表明權(quán)衡的有用比較優(yōu)值（FOM）是RDS（on）。A、 圖3顯示了WBG器件、硅超結(jié)MOSFET和IGBT的一些圖和歸一化芯片尺寸，所有這些器件都處于相同的電壓/電流等級。

圖3:SiC、GaN和其他技術(shù)之間的優(yōu)值RDS（on）。

WBG器件的電容越小，驅(qū)動功率要求也越低，這可能是相當(dāng)可觀的。如果SiC MOSFET替換逆變器中的六個IGBT，例如20 kHz時的柵極驅(qū)動損耗將從約10 W降至遠(yuǎn)低于1 W。另一個有用的FOM是RDS（on）。EOS，表示給定類別設(shè)備的總傳導(dǎo)和開關(guān)能量損失。

Justifying the use of WBG devices

使用 SiC 或 GaN 的情況取決于您的觀點(diǎn)。假設(shè)零件成本很重要，并且您有一個可行的 IGBT 解決方案。在這種情況下，使用新技術(shù)開發(fā)產(chǎn)品的風(fēng)險似乎令人生畏，尤其是在需要允許增加 EMI 等影響的情況下。有些器件采用 TO-247 等封裝，與 IGBT 和 Si MOSFET 兼容，可直接替代，但這很少是最佳解決方案。SiC MOSFET 通常需要比其他技術(shù)更高的柵極驅(qū)動電壓才能實現(xiàn)完全飽和。非?？斓倪呇厮俾士赡苄枰?fù)關(guān)閉驅(qū)動來抵消米勒電容的影響，而共源電感往往會阻止關(guān)閉驅(qū)動（圖 4）。GaN 仍然比較棘手，具有非常低的導(dǎo)通電壓和絕對最大值，

圖 4：共源電感和米勒電容會導(dǎo)致柵極瞬變。

壓力下的電路操作也是一個重要的考慮因素。SiC MOSFET 確實具有雪崩等級，但 GaN 器件沒有，因此制造商必須保守地對他們的器件進(jìn)行評級，以獲得連續(xù)最大值，因此有很好的余量。這使器件的電壓額定值稍稍落后于曲線，因此 GaN 通常用于較低的電壓范圍，而 SiC 很容易在 1，200 V 或更高電壓范圍內(nèi)使用。器件還需要針對故障條件進(jìn)行短路額定值，并且 WBG 器件的穩(wěn)健性一直是深入研究的主題，在 GaN 中發(fā)現(xiàn)了新的故障機(jī)制，例如，由熱電子俘獲觸發(fā)。

許多電源轉(zhuǎn)換拓?fù)涠急憩F(xiàn)出開關(guān)反向或三象限傳導(dǎo)，通常來自引起換向的感性負(fù)載或在雙向轉(zhuǎn)換器中，其中開關(guān)成為輸出整流器。IGBT 需要一個并聯(lián)二極管來實現(xiàn)這一功能，但 Si 和 SiC MOSFET 有一個可以導(dǎo)通的體二極管，盡管它具有高正向壓降和有限的恢復(fù)時間。GaN HEMT 單元沒有本征體二極管，而是通過它們的通道自然地反向傳導(dǎo)，沒有恢復(fù)電荷。然而，電壓降可能很高，并隨柵極閾值和柵極關(guān)態(tài)偏置電壓而變化。

盡管使用 WBG 器件有額外的考慮，但與 IGBT 和 Si MOSFET 相比，可實現(xiàn)的效率提高可以使效率目標(biāo)更容易達(dá)到，例如用于服務(wù)器電源的 80+ 鈦。這不僅履行了法定義務(wù)，而且還節(jié)省了能源和成本。如果充分利用其性能，圍繞 SiC 或 GaN 設(shè)計的系統(tǒng)具有額外的優(yōu)勢，例如更小、更輕、更便宜的磁性元件和散熱片。這些在電動汽車中可能具有雙重優(yōu)勢，例如，更高的效率和連鎖效應(yīng)還允許更長的續(xù)航里程。

WBG 制造發(fā)展

所有主要的半導(dǎo)體制造商都致力于不同側(cè)重點(diǎn)的WBG器件。例如，英飛凌一直致力于證明其 SiC MOSFET 柵極氧化物的穩(wěn)健性，其溝槽結(jié)構(gòu)允許在低柵極場強(qiáng)和低缺陷率的情況下實現(xiàn)低導(dǎo)通電阻。英飛凌的 e-mode CoolGaN 器件沒有柵極氧化物，測試顯示故障率小于 1 個 FIT（10 9小時內(nèi)的故障）。英飛凌 CoolSiC 器件以模塊形式提供 1，700 V 額定值和 1，200 V 時低至 2 mΩ 的模塊。Infineon CoolGaN 器件采用 20 引腳 PG-DSO-20-85 封裝，電壓范圍為 600 V/60 A，導(dǎo)通電阻為 70-mΩ。

羅門半導(dǎo)體的第三代 SiC MOSFET 也采用溝槽結(jié)構(gòu)，可提供 1，200 V 電壓，與第二代平面型相比，導(dǎo)通電阻降低了 50%?？捎玫姆庋b包括四引線 TO-247 版本，以避免其源極和柵極連接中的常見電感。Rohm 的 GaN 器件還實現(xiàn)了 8V 的柵極擊穿電壓額定值，從而提高了推薦驅(qū)動電壓 （5V） 與絕對最大值之間的裕度。Rohm 與 WBG 技術(shù)的主要參與者 GaN Systems 合作，專注于創(chuàng)新器件封裝，以實現(xiàn)器件的最高電氣和熱性能。Rohm‘s Island Technology 使用橫向排列的金屬條來降低電阻、電感、尺寸和成本。

STMicroelectronics 聲稱其在 200?C 時的額定溫度為業(yè)界最高的 1，200-V SiC MOSFET，并強(qiáng)調(diào)其領(lǐng)先的產(chǎn)品系列高達(dá) 1，700-V 的額定電壓和極低的導(dǎo)通電阻。STMicroelectronics 聲稱在溫度范圍內(nèi)的變化遠(yuǎn)小于競爭部件（圖 5）。STMicroelectronics SiC MOSFET 具有非?？焖偾覉怨痰捏w二極管，可有效用作續(xù)流二極管。

圖 5：STMicroelectronics SiC MOSFET 導(dǎo)通電阻僅隨溫度略微增加。

Panasonic 還通過其 X-GaN 技術(shù)在 GaN 器件方面取得了領(lǐng)先地位，該技術(shù)實現(xiàn)了增強(qiáng)模式但沒有電流崩塌，這種效應(yīng)可能會導(dǎo)致器件故障，因為在施加高電壓的情況下會瞬時增加導(dǎo)通電阻。松下還擁有絕緣柵 GaN 器件技術(shù)，即柵極注入晶體管 （GIT），它克服了以前在這種布置中出現(xiàn)的柵極不穩(wěn)定性和滯后現(xiàn)象。

結(jié)論

與以前的技術(shù)相比，采用 SiC 和 GaN 的 WBG 器件具有顯著優(yōu)勢，尤其是從更大的系統(tǒng)圖景來看，其連鎖效應(yīng)為其使用增添了令人信服的論據(jù)。應(yīng)用程序設(shè)計規(guī)則各不相同，但制造商正在努力使這些部件更易于使用，大量積累的證據(jù)證明了它們的穩(wěn)健性和可靠性。

審核編輯：郭婷