寬帶材料支持下一代電源策略

在當(dāng)今的電力電子產(chǎn)品中，質(zhì)量和可靠性是既定的，設(shè)計(jì)重點(diǎn)是最大限度地提高效率和功率密度，同時(shí)最大限度地降低成本。工作頻率的急劇增加挑戰(zhàn)了當(dāng)前的設(shè)計(jì)實(shí)踐，以提高電磁干擾/兼容性 (EMI/EMC) 性能和可制造性。寬帶隙 (WBG) 功率半導(dǎo)體的最新進(jìn)展使這些不同的目標(biāo)成為可能。

材料的帶隙取決于晶格中原子之間化學(xué)鍵的強(qiáng)度。更強(qiáng)的鍵使電子更難從一個(gè)軌道跳到另一個(gè)軌道。因此，較高帶隙半導(dǎo)體表現(xiàn)出較低的本征電流損耗并能承受較高的工作溫度。這些改進(jìn)可實(shí)現(xiàn)更高的能量轉(zhuǎn)換效率、更高的可靠性，并最終實(shí)現(xiàn)更高的盈利能力。

與傳統(tǒng)的硅工藝相比，碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 等 WBG 半導(dǎo)體材料可實(shí)現(xiàn)更好的導(dǎo)熱性、更高的開關(guān)速度和更小的器件尺寸。因此，它們使新一代電源成為可能。

氮化鎵和碳化硅

材料的禁帶是將電子從價(jià)帶釋放到導(dǎo)帶所需的能量。硅、SiC 和 GaN 都是半導(dǎo)體，但硅的禁帶為 1.12 電子伏特 (eV)，而 SiC 和 GaN 的禁帶相對(duì)較寬，分別為 2.86 和 3.4 eV。SiC 和 GaN 更高的電子遷移率使它們能夠?qū)崿F(xiàn)更快的開關(guān)，因?yàn)橥ǔＴ诮宇^中積累的電荷可以更快地分散。

GaN 器件的快速上升時(shí)間、低電阻以及低柵極和輸出電容降低了開關(guān)損耗并支持在更高頻率下運(yùn)行——通常比類似的硅基解決方案高一個(gè)數(shù)量級(jí)。減少的損失等同于更有效的能量分配、更少的熱量產(chǎn)生和更簡(jiǎn)單的冷卻解決方案。此外，高頻操作可以通過減少體積、重量和材料要求(特別是用作變壓器和電感器的磁性元件)來對(duì)解決方案的成本產(chǎn)生積極影響。

最受益于GaN技術(shù)優(yōu)勢(shì)的應(yīng)用是開關(guān)電源。AC/DC 電源的目標(biāo)是將交流電網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)換為較低的直流電壓，以便為低壓電氣設(shè)備供電或充電。GaN 技術(shù)可以在這個(gè)過程的所有階段提高功率密度，從 AC/DC 轉(zhuǎn)換到 DC/DC 轉(zhuǎn)換和負(fù)載點(diǎn) (POL) 分配。

圖 1：器件損耗比較，GaN 與硅(圖片：德州儀器)

德州儀器 (TI) 的 DualCool 和 NexFET GaN 功率 MOSFET 在封裝的上部散發(fā)熱量。由于這種特殊性，GaN MOSFET 可提供比同類硅器件多 50% 的電流，讓設(shè)計(jì)人員可以在復(fù)雜應(yīng)用中部署這些器件，而不會(huì)增加系統(tǒng)尺寸。換向時(shí)間也減少了(圖 1)。

與此同時(shí)，碳化硅技術(shù)已被用于構(gòu)建能夠在 1,200 和 1,700 V 下運(yùn)行的組件，并有望提供更高的電壓。碳化硅有望覆蓋工業(yè)、能源和交通領(lǐng)域的高端產(chǎn)品系列，取代迄今為止主導(dǎo)這些應(yīng)用的絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)。

碳化硅技術(shù)正在大功率項(xiàng)目中得到應(yīng)用，例如電機(jī)、電力驅(qū)動(dòng)和逆變器或變頻器，包括動(dòng)力系統(tǒng)逆變器和車載充電器 (OBC)。電力驅(qū)動(dòng)制造商正在開發(fā)驅(qū)動(dòng)電路以支持轉(zhuǎn)換器中更高的開關(guān)頻率，通過使用更復(fù)雜的拓?fù)鋪斫档碗姶鸥蓴_ (EMI)。

與硅相比，碳化硅技術(shù)提供了卓越的開關(guān)性能和更高的可靠性。二極管沒有反向恢復(fù)電流，開關(guān)性能與溫度無關(guān)。出色的熱性能、更高的功率密度和更低的 EMI 使 SiC 技術(shù)成為高性能汽車應(yīng)用的一個(gè)有吸引力的選擇，這些應(yīng)用將繼續(xù)激增。

圖 2：FFSHx0120 的測(cè)試電路和波形(圖片：ON Semiconductor)

安森美半導(dǎo)體的 SiC 二極管提供傳統(tǒng)的表面貼裝器件 (SMD) 和通孔封裝，包括 TO-247、D2PAK 和 DPAK。Gen1 FFSHx0120 1,200-V 和 Gen2 FFSHx065 650-V 器件提供零反向復(fù)位、低正向電壓、與溫度無關(guān)的電流穩(wěn)定性、淺漏電流、高過壓容量和正溫度系數(shù)(圖 2)。

司機(jī)

新一代器件技術(shù)并不能直接替代其前代芯片，更高的允許開關(guān)速度帶來了一系列新的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

使用 SiC 和 GaN 時(shí)最棘手的挑戰(zhàn)之一與驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O的需求有關(guān)。碳化硅需要更高的柵源電壓 (V(GS)) 并具有負(fù)極性才能關(guān)斷。另一方面，GaN 的閾值電壓 (Vth) 比硅低得多，但需要更精確的控制。一般而言，WBG 器件就其本質(zhì)而言，其體二極管上的壓降比傳統(tǒng)硅更高，這需要更準(zhǔn)確地控制停機(jī)時(shí)間和開關(guān)。

為了充分利用這些設(shè)備的特性，它們必須在更高的頻率下運(yùn)行。因此，有必要更仔細(xì)地控制布局寄生效應(yīng)，這使得設(shè)計(jì)這些系統(tǒng)類似于 RF 設(shè)計(jì)。

審核編輯：湯梓紅