如何充分利用半導(dǎo)體開關(guān)技術(shù)提高功率轉(zhuǎn)換器？

迫在眉睫問題：降低耗能生熱

目前，全球?qū)﹄娔苄枨筇幱隗@人的高水平，根據(jù)國際能源署（International Energy Agency）預(yù)測(cè)，2020年全球電能需求將接近30皮瓦（petawatt）。對(duì)于我們這些只能使用大約幾個(gè)kW烤面包機(jī)功率的人來說，這幾乎是一個(gè)難以理解的數(shù)字。而且，考慮到亞洲經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，該數(shù)字還將注定快速增大，當(dāng)然，這其中重點(diǎn)是增加對(duì)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(fēng)能和其他綠色能源轉(zhuǎn)換為熱能之前將能量收集，并轉(zhuǎn)化為電力應(yīng)該沒有凈增暖作用，但是礦物燃料仍然是主要能源，本應(yīng)該“鎖定”的能量被以熱量釋放。因此，至關(guān)重要的是，提高從原始礦物到有用能量的轉(zhuǎn)換效率，避免更多的能量流失到環(huán)境，并節(jié)省運(yùn)營成本。

目前，能源主要應(yīng)用在工業(yè)過程中，尤其是驅(qū)動(dòng)馬達(dá)應(yīng)用，其次數(shù)據(jù)中心則緊追其后，而電動(dòng)汽車充電的需求在未來幾年將會(huì)激增。這些應(yīng)用伴隨從家用電器到手機(jī)充電器等許多其他應(yīng)用，都已經(jīng)在采用技術(shù)創(chuàng)新途經(jīng)，以最大限度地降低功耗，這其中通常使用的是“智能”技術(shù)，例如馬達(dá)的變頻驅(qū)動(dòng)器。這就需要使用電子電源，并且關(guān)注的重點(diǎn)也是看這些應(yīng)用如何展現(xiàn)出更低的轉(zhuǎn)換損耗。在本文中，我們將探討設(shè)計(jì)人員如何在充分利用半導(dǎo)體開關(guān)技術(shù)，使高效功率轉(zhuǎn)換器更易于實(shí)現(xiàn)。

電源轉(zhuǎn)換挑戰(zhàn)和拓?fù)浼軜?gòu)

我們通常都在說“電源轉(zhuǎn)換器”，但這有點(diǎn)用詞不當(dāng)，理想的情況是從設(shè)備獲得與輸入完全相同的功率輸出。這是電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)人員所追求的目標(biāo)：將電能從配電系統(tǒng)（通常是交流市電或直流母線）轉(zhuǎn)換為不同的直流電壓，有時(shí)甚至轉(zhuǎn)換為交流電壓，所有這些都不會(huì)因?yàn)楫a(chǎn)生廢熱而消耗電能。出于安全或功能方面的考慮，有時(shí)需要通過變壓器耦合進(jìn)行電隔離。無論是否進(jìn)行主動(dòng)調(diào)節(jié)，輸出電壓可高于或低于輸入電壓，但在所有應(yīng)用場(chǎng)景下，“開關(guān)模式”技術(shù)都已經(jīng)無處不在。

多年來，業(yè)內(nèi)所使用的半導(dǎo)體開關(guān)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(yīng)用。轉(zhuǎn)換器的拓?fù)浼軜?gòu)也得到了改進(jìn)，在高功率多開關(guān)半橋或全橋配置中，最高效的是“諧振”型電路。現(xiàn)在，使用IGBT或MOSFET的三相電橋通常為電機(jī)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生交流電。

在所有這些拓?fù)渲校硐氲拈_關(guān)在導(dǎo)通或關(guān)斷時(shí)都不會(huì)消耗任何功率，理想的電感器、變壓器或電容器也不會(huì)消耗熱量，因此轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)重點(diǎn)是使用性能最接近理想條件的組件，同時(shí)最大程度地減少瞬變耗散條件，例如開關(guān)在導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。在現(xiàn)代設(shè)計(jì)中，這些“開關(guān)”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(guān)轉(zhuǎn)換期間能夠達(dá)到kW級(jí)別。

損耗顯然與每秒開關(guān)轉(zhuǎn)換次數(shù)（頻率）成正比，因此對(duì)于半導(dǎo)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(gè)折衷方案，可以從馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器中的幾kHz到幾MHz，例如在電信應(yīng)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(guān)速度，甚至高到無法測(cè)量其值。但是，器件內(nèi)部及其周圍的寄生電容會(huì)將其速度降低到納秒范圍。因此，器件輸出電容COSS，以及對(duì)其進(jìn)行充電和放電所需的能量EOSS是重要的品質(zhì)因數(shù)（FOM），MOSFET的導(dǎo)通電阻RDS（ON）也很重要，尤其在大電流更至關(guān)重要。導(dǎo)通電阻與管芯面積的乘積RDS（ON）?A是總損耗的另一個(gè)重要品質(zhì)因數(shù)，因?yàn)殡S著管芯面積減小，電容及其相關(guān)的開關(guān)損耗也會(huì)降低。

寬帶隙半導(dǎo)體簡(jiǎn)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(dǎo)體器件，其中需要相對(duì)較高的能量才能將電子從原子“價(jià)（valence）”帶移動(dòng)到其“導(dǎo)（conduction）”帶，在導(dǎo)帶電子可用于電流流動(dòng)?！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(guān)。SiC還具有特別好的導(dǎo)熱性，在圖2的雷達(dá)圖中，將SiC、GaN的屬性與硅進(jìn)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(duì)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(duì)于相同阻斷電壓，其導(dǎo)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(duì)較低。加上SiC極高的導(dǎo)熱性，意味著可以實(shí)現(xiàn)非常小的芯片，從而具有很好的RDS（ON）?A品質(zhì)因數(shù)值。圖3顯示了IGBT、Si-MOSFET、SiC MOSFET和GaN HEMT器件在特定電壓等級(jí)上的RDS（ON）?A品質(zhì)因數(shù)比較。

圖3：寬帶隙器件和硅技術(shù)在同等器件電壓下RDS（ON）?A品質(zhì)因數(shù)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(shí)現(xiàn)更快的開關(guān)速度，另一個(gè)結(jié)果是大大降低了柵極驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)更高效率的開關(guān)。對(duì)于IGBT而言，有時(shí)約為微庫侖量級(jí)，對(duì)于功率MOSFET而言，約為數(shù)百納庫侖。這就需要較大的驅(qū)動(dòng)功率，對(duì)于較大的IGBT，功率約為數(shù)瓦級(jí)，從而造成了系統(tǒng)極大的損耗。對(duì)于寬帶隙器件，即便在高頻下，該值也可能僅為毫瓦級(jí)。

寬帶隙器件還有其它更多優(yōu)勢(shì)。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(shí)際上器件封裝將溫度限制在較低值，但其高峰值溫度運(yùn)行能力可為克服瞬態(tài)應(yīng)力提供更堅(jiān)實(shí)的信心。相較硅器件，寬帶隙器件柵極漏電流和導(dǎo)通電阻等重要參數(shù)隨溫度變化也要低很多，寬帶隙技術(shù)甚至能夠使器件更耐輻射，適用于航空航天等高可靠性應(yīng)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(jìn)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(guān)市場(chǎng)中占主導(dǎo)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(shù)，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(shì)會(huì)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(shí)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(yīng)降低。例如，通過更快的開關(guān)速度，對(duì)負(fù)載變化的更快響應(yīng)一及更平滑的馬達(dá)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(jià)值在于可將其用于功率轉(zhuǎn)換的所有新應(yīng)用，而且他們已投入大量精力來完善技術(shù)，以使部件易于使用而且牢固可靠，特別是在應(yīng)對(duì)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)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(huì)失效，或者至少會(huì)降低溝道遷移率和導(dǎo)通電阻。作為一種有效的解決方案，Infineon選擇了一種溝槽架構(gòu)（見圖4左），可以在低柵極電場(chǎng)強(qiáng)度下實(shí)現(xiàn)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(gòu)（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(guān)”應(yīng)用。該架構(gòu)被設(shè)計(jì)為與SiC MOSFET一樣在增強(qiáng)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(dǎo)通。導(dǎo)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(gòu)。

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(dá)200℃，在整個(gè)溫度范圍內(nèi)具有同類產(chǎn)品領(lǐng)先的極低導(dǎo)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(dá)驅(qū)動(dòng)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(chǎng)的主要供應(yīng)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(jù)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(shì)壘二極管的SiC MOSFET，可滿足要求苛刻的換向開關(guān)應(yīng)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(lǐng)域的另一家公司GaN Systems已經(jīng)建立合作。 GaN Systems專注于開發(fā)專利的封裝技術(shù)，可最大限度地利用GaN的速度和低導(dǎo)通電阻。其“島嶼技術(shù)（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(shù)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(chǎng)的另一家領(lǐng)先廠商，它采用專利技術(shù)的X-GaNTM器件可實(shí)現(xiàn)“常關(guān)”運(yùn)行而不會(huì)出現(xiàn)“電流崩塌（current collapse）”，這是GaN的一種效應(yīng)，在高壓應(yīng)用中，漏極和源極之間捕獲的電子可以瞬時(shí)增大導(dǎo)通電阻，有可能導(dǎo)致器件故障（見圖5）。Panasonic的柵極注入晶體管（GIT）技術(shù)也是一項(xiàng)重大進(jìn)步，能夠構(gòu)建出一種真正的“常關(guān)” GaN器件，該器件可以采用類似于Si MOSFET的柵極電壓來驅(qū)動(dòng)。

圖5：Panasonic 的GaN器件沒有“電流崩塌”現(xiàn)象。

結(jié)論

在所有功能方面，寬帶隙器件都能夠勝過硅，現(xiàn)在應(yīng)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(dá)和電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)器，再到效率和體積非常關(guān)鍵的普通商用電源適配器等越來越廣泛領(lǐng)域得到應(yīng)用，大規(guī)模生產(chǎn)業(yè)已成為現(xiàn)實(shí)，市場(chǎng)上的主要供應(yīng)商已經(jīng)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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