下一代電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的新型寬禁帶技術(shù)

我們都在講“功率轉(zhuǎn)換器”，但這個(gè)名稱其實(shí)有點(diǎn)不恰當(dāng)——它的理想情況是實(shí)現(xiàn)設(shè)備的輸出功率與輸入功率完全相同才對(duì)。這就是功率轉(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)換為不同的直流或交流電壓，同時(shí)又不會(huì)將任何電能耗散為廢熱。出于安全或功能性的原因，有時(shí)需要通過變壓器耦合進(jìn)行電氣隔離；輸出電壓可能高于也可能低于輸入電壓，或者經(jīng)過或不經(jīng)過主動(dòng)調(diào)節(jié)，但在所有情況下，“開關(guān)模式”技術(shù)都已變得無處不在。

多年來，雙極型半導(dǎo)體已成為需要電控開關(guān)應(yīng)用的常規(guī)選擇，例如在功率轉(zhuǎn)換和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用中。但這種趨勢(shì)已經(jīng)發(fā)生了變化，最初是緣于金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管 (MOSFET)，現(xiàn)在則是氮化鎵 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 器件。諸如絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 等GaN和SiC器件憑借其優(yōu)異的熱性能和高開關(guān)能力，非常適合高壓和大功率開關(guān)應(yīng)用。

轉(zhuǎn)換器的拓?fù)湟驳玫搅烁倪M(jìn)，其中最有效的就是大功率下多開關(guān)半橋或全橋配置中的“諧振”類型。使用IGBT或MOSFET的三相橋現(xiàn)在通常用于產(chǎn)生電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的交流電。在所有這些拓?fù)渲?，理想的開關(guān)在打開或關(guān)閉時(shí)都不會(huì)耗散任何功率，理想的電感器、變壓器或電容器也不會(huì)耗散熱量，因此轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是使用性能最接近理想值的元件，同時(shí)盡可能減少瞬變耗散條件，例如開關(guān)在接通和斷開狀態(tài)之間的開關(guān)擺幅。在現(xiàn)代設(shè)計(jì)中，這類“開關(guān)”損耗造成的能量耗散最多，并且具有很高的峰值。

這些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，頻率越低越好。隨著頻率的增加，磁性元件的鐵心損耗也隨之增加，但是它們的尺寸、重量和成本卻隨著銅損降低，因此在選擇頻率時(shí)需要折衷考慮，最終結(jié)果既有可能是電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中的幾kHz，也有可能是需要優(yōu)先考慮尺寸時(shí)（如在電信應(yīng)用中）的幾MHz。

最新的SiC和GaN寬禁帶器件固有的開關(guān)速度非常快，以至于無法測(cè)量。但器件內(nèi)部和周圍的寄生電容卻可能將這一速度降低到納秒范圍。因此，設(shè)備輸出電容 (COSS) 和充放電所需能量 (EOSS) 是重要的品質(zhì)因數(shù) (FOM)，MOSFET的導(dǎo)通電阻RDS(ON)也是如此，后者在高電流的場(chǎng)景至關(guān)重要。導(dǎo)通電阻和管芯面積的乘積RDS(ON)?A是總損耗的另一個(gè)重要FOM，隨著管芯面積的縮小，電容及其相關(guān)的開關(guān)損耗也會(huì)降低。

認(rèn)識(shí)寬禁帶半導(dǎo)體

讓我們來解釋一下我們說的“寬禁帶”(WBG) 器件是什么意思。它們是SiC和GaN半導(dǎo)體，需要相對(duì)較高的能量才能將電子從原子的“價(jià)”帶移動(dòng)到其“導(dǎo)”帶，從而使電子流過。“禁帶”的度量單位是電子伏特 (eV)，硅 (Si) 的這個(gè)值約為1.1eV，SiC是3.2eV，GaN則是3.4eV。高禁帶值產(chǎn)生了更高的臨界擊穿電壓和更低的泄漏電流，在高溫下尤其如此。因而，WBG器件還具有更好的電子飽和速度，因而能加快開關(guān)速度。SiC器件還容易表現(xiàn)出優(yōu)異的導(dǎo)熱性。

我們知道，較小的管芯尺寸可減少WBG器件的電容并實(shí)現(xiàn)更快的開關(guān)速度。小管芯尺寸的另一個(gè)結(jié)果是大大降低了柵極驅(qū)動(dòng)器的功率要求。在用于MOSFET和IGBT硅片的傳統(tǒng)技術(shù)中，產(chǎn)生有效開關(guān)需要較高的柵極電荷值，有時(shí)對(duì)于IGBT可達(dá)微庫侖的數(shù)量級(jí)，對(duì)于功率MOSFET則約為數(shù)百納庫侖。這就需要很大的驅(qū)動(dòng)功率，對(duì)于較大的IGBT，功率需要達(dá)到瓦特的數(shù)量級(jí)，從而造成了顯著的系統(tǒng)損耗。對(duì)于WBG器件而言，即使在很高的頻率下，損耗也僅為毫瓦級(jí)。

此外，WBG器件還有更多優(yōu)勢(shì)。例如，它們本身就能夠在比硅更高的溫度下工作，一些制造商甚至表示他們的器件可在超過500°C的峰值下工作。盡管封裝實(shí)際上將溫度限制在較低的工作溫度范圍內(nèi)，但高峰值能力可以保證瞬態(tài)壓力條件下的可靠性。與硅相比，WBG器件的柵漏和導(dǎo)通電阻等在臨界值隨溫度的變化也要低得多，寬禁帶甚至使這些器件更耐輻射，適用于航空航天中的高可靠性應(yīng)用。

WBG器件的發(fā)展

盡管IGBT和硅MOSFET仍在功率開關(guān)市場(chǎng)中占主導(dǎo)地位，并且隨著新一代的出現(xiàn)而不斷得到改進(jìn)，但是將WBG器件的潛在性能與之進(jìn)行比較時(shí)，使用WBG器件的案例仍然引人注目。作為新興技術(shù)，WBG的成本一開始要高于硅，但其價(jià)格正在下降，并且連鎖系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在很大程度上抵消了這一點(diǎn)。例如，這些器件的效率可能會(huì)得到顯著提高，與此同時(shí)，尺寸、重量和相應(yīng)的其他元件（例如散熱片）以及在輸出和EMC濾波中使用的電感器和電容器的成本也會(huì)相應(yīng)降低。此外，系統(tǒng)功能性能也會(huì)隨著更快的開關(guān)速度、更快的負(fù)載變化響應(yīng)和更流暢的電機(jī)控制而得到改善。

WBG器件制造商

總體而言，WBG器件制造商可以有理由說，使用他們器件的價(jià)值在于任何存在功率轉(zhuǎn)換的新應(yīng)用都需要考慮到這些器件，并且他們也努力不懈地完善技術(shù)，使部件易于使用并且堅(jiān)固耐用，尤其是在電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中常見的短路和過電壓等故障狀態(tài)下。

讓我們看一些WBG器件制造商，以及他們?nèi)绾螌BG技術(shù)結(jié)合到他們的產(chǎn)品中。

英飛凌

英飛凌展示了其SiC MOSFET柵極氧化物界面的可靠性。這種界面如果存在缺陷，就可能會(huì)失效，或者至少會(huì)降低通道遷移率和導(dǎo)通電阻。作為解決方案，它選擇了一種溝槽結(jié)構(gòu)，可在低柵極電場(chǎng)強(qiáng)度下實(shí)現(xiàn)低通道電阻。英飛凌的GaN高電子遷移率晶體管 (HEMT) 器件采用了一種平面結(jié)構(gòu)。不同于SiC MOSFET，HEMT沒有體二極管，這使得它們特別適合“硬開關(guān)”應(yīng)用。其結(jié)構(gòu)被設(shè)計(jì)成與使用SiC MOSFET一樣的增強(qiáng)模式工作，但不存在柵極絕緣，因此需要小的柵極電流來保持器件導(dǎo)通。

其連通態(tài)柵極閾值電壓也很低，通常約為1.4V。GaN器件的額定電壓水平為600V，相比之下SiC為1200V或更高，但在特定額定電壓下GaN RDS(ON) 的理論極限約為SiC的10倍。

STMicroelectronics

STMicroelectronics宣稱其1200V SiC MOSFET具有業(yè)內(nèi)超高的額定溫度，達(dá)到了200°C，在這個(gè)溫度范圍內(nèi)具有出色的超低導(dǎo)通電阻。這避免了電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器等當(dāng)中的換向電路對(duì)外部二極管的依賴，從而節(jié)省了空間和成本。

ROHM

ROHM也是SiC MOSFET市場(chǎng)上的主要參與者，其新器件具有高性價(jià)比和突破性的性能。ROHM推出了一款共同封裝了反并聯(lián)SiC肖特基勢(shì)壘二極管的SiC MOSFET，可用于要求苛刻的換向開關(guān)應(yīng)用，其中并聯(lián)二極管在1.3V時(shí)較低的正向壓降產(chǎn)生的損耗低于4.6V時(shí)的體二極管。

ROHM還與WBG領(lǐng)域的另一家公司GaN Systems開展合作。GaN Systems是一家專注于專利封裝技術(shù)的公司，這些技術(shù)充分利用GaN的速度和低導(dǎo)通電阻特點(diǎn)。其“Island Technology”（島技術(shù)）將HEMT單元的矩陣與橫向排列的金屬條連接起來，以減少電感、熱阻、尺寸和成本。其無引線鍵合的GaNPX封裝技術(shù)可提供出色的熱性能、密度和低厚度。

Panasonic

Panasonic是GaN市場(chǎng)的另一家主要參與者，其采用專利技術(shù)的X-GaNTM器件可以實(shí)現(xiàn)“常斷”操作而沒有“電流崩塌”?！半娏鞅浪笔且环NGaN效應(yīng)，指的是漏極之間的俘獲電子在施加高壓時(shí)會(huì)瞬時(shí)增加導(dǎo)通電阻，從而可能導(dǎo)致器件故障（圖4）。Panasonic柵極注入晶體管 (GIT) 技術(shù)也是一項(xiàng)重大進(jìn)步，這項(xiàng)技術(shù)帶來一種真正的“常閉”GaN器件，可使用類似于硅MOSFET的柵極電壓來驅(qū)動(dòng)。

圖4：Panasonic GaN電池沒有出現(xiàn)“電流崩塌”。（來源：Panasonic）

結(jié)論

寬禁帶器件在各種功能性的方面都勝過了硅，而在采用方面的障礙實(shí)際上在于成本、易用性和經(jīng)過證明的可靠性。所有這些問題都已被市場(chǎng)上的主要參與者解決，大規(guī)模生產(chǎn)現(xiàn)在已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)。從航空航天到高能效電機(jī)和電動(dòng)車的驅(qū)動(dòng)，乃至日常使用的適配器，寬禁帶器件在效率和尺寸占據(jù)關(guān)鍵因素的領(lǐng)域擁有非常廣泛的應(yīng)用前景。

審核編輯：郭婷