蘋果派與功率轉(zhuǎn)換器效率

您是否希望提高功率轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的效率？或許，您可以考慮使用 SiC FET。了解 SiC FET 如何成為提高所有常見轉(zhuǎn)換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)效率的安全方法，以及所有隨之而來的好處。

這篇博客文章最初由 United Silicon Carbide (UnitedSiC) 發(fā)布，該公司于 2021 年 10 月加入Qorvo 大家庭。UnitedSiC 是一家領(lǐng)先的碳化硅 (SiC) 功率半導(dǎo)體制造商，它的加入促使 Qorvo 將業(yè)務(wù)擴(kuò)展到電動(dòng)汽車 (EV)、工業(yè)電源、電路保護(hù)、可再生能源和數(shù)據(jù)中心電源等快速增長的市場。

在撰寫博文時(shí)，很多人喜歡用 “母親和蘋果派”（美國俚語，表示大家都認(rèn)同的說法）這樣的內(nèi)容作為開頭，例如提高功率轉(zhuǎn)換效率會(huì)帶來種種好處，諸如此類。當(dāng)然，更高的效率無疑是一種優(yōu)勢，但有時(shí) “凈增益” 的描述會(huì)有失妥當(dāng)：相比于效率低下的鍋爐，家用電器產(chǎn)生少量熱量便可使中央供暖系統(tǒng)在寒冷條件下輕松運(yùn)行，也許還可以提升能源使用的整體效率，降低其整體成本。白熾燈亦是如此，當(dāng)您需要取暖時(shí)，白熾燈隨時(shí)能成為非常有效的加熱器。

其他用戶也確實(shí)看到了一個(gè)主要優(yōu)勢：在溫暖的地方，空調(diào)系統(tǒng)所產(chǎn)生的熱量會(huì)增加其功耗，從而導(dǎo)致成本成倍攀升。但在工業(yè)領(lǐng)域，比如說服務(wù)器機(jī)群，其能源需求如今超過了全球能源需求的 1%，所以其效率每提高一個(gè)小零頭，都代表著可以節(jié)省大量成本并大幅降低環(huán)境影響。有時(shí)候，效率提升會(huì)達(dá)到一個(gè) “臨界點(diǎn)”，此后的優(yōu)勢將會(huì)成倍飆升。就拿電動(dòng)汽車來說，若能在其改進(jìn)過程中創(chuàng)造出更小巧、更輕便的功率轉(zhuǎn)換器，那必能降低能源需求、延長行駛里程。

因此，哪怕只能提高一個(gè)小數(shù)，眾多工程師仍會(huì)不遺余力地提升效率。在使用不熟悉但具有部分改進(jìn)的新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，他們會(huì)評(píng)估該設(shè)計(jì)是否會(huì)在某個(gè)時(shí)間范圍內(nèi)產(chǎn)生較低的總擁有成本。毋庸置疑，隨著效率的不斷提高，任何改進(jìn)都會(huì)變得更加困難，當(dāng)效率已經(jīng)達(dá)到 99.5% 左右時(shí)，僅 ±0.1% 的輸入和輸出功率測量誤差都可能導(dǎo)致計(jì)算損耗比實(shí)際值高或低 40%。當(dāng)電源輸入為存在失真且功率因數(shù)欠佳的交流電源，直流電源輸出有殘留噪聲分量，給 DVM 造成混淆時(shí)，情況會(huì)變得更糟?，F(xiàn)在，我們經(jīng)常使用量熱法來測量熱量輸出，而不是通過電氣測量來推斷熱量輸出。

圖 1. 在效率水平較高的情況下，即使測試設(shè)備的精確度僅為 ±0.1%，也會(huì)導(dǎo)致效率測量精確度產(chǎn)生較大波動(dòng)

通過僅改進(jìn)設(shè)計(jì)好的半導(dǎo)體來提高功率轉(zhuǎn)換器效率是一種風(fēng)險(xiǎn)相對較低的辦法。我們可以適當(dāng)考慮 EMI 輻射的變化，將基于 MOSFET 的轉(zhuǎn)換器升級(jí)為具有較低導(dǎo)通電阻和可能更低開關(guān)能量要求的較新器件。但是，要想利用較新的寬帶隙器件（如 SiC MOSFET 或 GaN HEMT 單元），就必須對電路（尤其是柵極驅(qū)動(dòng)）進(jìn)行較大的改變。如果現(xiàn)有電路是基于 IGBT 而搭建，則需要考慮徹底地進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，以便使用寬帶隙器件。

柵極驅(qū)動(dòng)問題與電壓電平有關(guān)。所以，要實(shí)現(xiàn)全面提升，SiC MOSFET 需要使用電壓電平明顯高于 Si-MOSFET 的導(dǎo)通驅(qū)動(dòng)，這個(gè)電壓電平應(yīng)非常接近器件的絕對最大額定值，且應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格限制。導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)之間存在的較大電壓波動(dòng)也意味著需要一定的驅(qū)動(dòng)功率，因?yàn)槊總€(gè)導(dǎo)通和斷開周期都會(huì)對柵極電容進(jìn)行充放電。此外，電壓閾值也不是固定值，且存在遲滯，因此實(shí)現(xiàn)最佳驅(qū)動(dòng)比較困難。在某種程度上，GaN HEMT 單元?jiǎng)t與前述情況相反，其柵極閾值電壓和絕對最大值都非常低，不過也必須要嚴(yán)格控制其驅(qū)動(dòng)電路，以免出現(xiàn)過應(yīng)力和故障。

如果功率轉(zhuǎn)換器電路需要實(shí)現(xiàn)反向或第三象限傳導(dǎo)，則 SiC MOSFET 中的體二極管性能至關(guān)重要，否則可能會(huì)由于其較高的回收能量和正向電壓降而導(dǎo)致過度損耗。GaN 器件中沒有體二極管，通過信道進(jìn)行反向傳導(dǎo)，但在信道通過柵極驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)主動(dòng)增強(qiáng)之前，會(huì)在死區(qū)時(shí)間出現(xiàn)較高的壓降。如果柵極在關(guān)斷狀態(tài)下為負(fù)柵極，則 “換向” 期間的電壓降會(huì)更高。

使用多個(gè) SiC FET（即 Si-MOSFET 和 SiC JFET 的共源共柵組合）是更有益的解決方案。此類器件采用了 Si-MOSFET 的簡單、非臨界柵極驅(qū)動(dòng)，但其性能品質(zhì)因數(shù) “導(dǎo)通電阻 x 面積” 以及 “導(dǎo)通電阻 x EOSS” 優(yōu)于 SiC MOSFET 和 GaN HEMT 單元的相關(guān)品質(zhì)因數(shù)。此外，此類器件本身具有出色的雪崩耐量和自限短路電流性能，且其體二極管效應(yīng)與具有較低正向壓降和快速恢復(fù)性能的低壓 Si-MOSFET 類似。換句話說，通常只需將 SiC FET 插入 Si-MOSFET 或 IGBT 插槽中,即可實(shí)現(xiàn)效率提升。與其他技術(shù)不同，我們無法只通過調(diào)整柵極驅(qū)動(dòng)電阻來控制 SiC FET 的速度，以限制 EMI 和應(yīng)力，但使用這些超快器件，我們可以通過小型RC 緩沖電路來有效地限制過沖和振鈴。此外，該電路還可用于簡化器件的并聯(lián)操作。用此類器件取代 IGBT，可以提高開關(guān)頻率且不會(huì)帶來過大的動(dòng)態(tài)損耗，從而實(shí)現(xiàn)更小巧輕便、成本更低的磁性元件。

SiC FET 是提高所有常見轉(zhuǎn)換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)效率的安全方法，同時(shí)還能帶來眾多優(yōu)勢。有人說，怕燙的話，不烤蘋果派（美國的一種美食，此處表示一種所有人都無法拒絕的美好事物）不就行了。這顯然不行，不過在轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中，您卻可以改用 SiC FET。

多個(gè) SiC FET

https://unitedsic.com/group/sic-fets/