蘋果派和電源轉(zhuǎn)換器效率

為什么考慮碳化硅場(chǎng)效應(yīng)晶體管

以“母性和蘋果派”的陳述開始博客總是很誘人的，比如更好的功率轉(zhuǎn)換效率的好處列表。更高顯然是一個(gè)優(yōu)勢(shì)，但有時(shí)凈收益被錯(cuò)誤地陳述了——家用電子產(chǎn)品的一點(diǎn)熱量會(huì)使你的中央供暖在寒冷的氣候下工作得不那么辛苦，也許在能源使用和成本方面有整體好處，鍋爐效率相對(duì)較低。白熾燈也是如此——當(dāng)你需要溫暖時(shí)，它們是非常高效的加熱器。

不過(guò)，其他用戶確實(shí)看到了一個(gè)主要的好處 - 在溫暖的地方，產(chǎn)生的熱量使空調(diào)工作更加困難，成本成倍增加，在工業(yè)中，例如服務(wù)器場(chǎng)現(xiàn)在超過(guò)全球能源需求的1%，效率提高的每一個(gè)百分點(diǎn)都意味著節(jié)省大量成本并減少對(duì)環(huán)境的影響。有時(shí)，效率提升會(huì)達(dá)到一個(gè)“臨界點(diǎn)”，收益開始成倍增加，例如電動(dòng)汽車，其中改進(jìn)意味著更小、更輕的功率轉(zhuǎn)換器，從而減少能源需求和延長(zhǎng)續(xù)航里程。

因此，工程師們不懈地追求效率提升的小數(shù)點(diǎn)，經(jīng)常判斷使用新的不熟悉拓?fù)溥M(jìn)行設(shè)計(jì)的風(fēng)險(xiǎn)，并承諾進(jìn)行部分改進(jìn)，是否會(huì)在某個(gè)任意時(shí)間尺度上產(chǎn)生較低的總擁有成本。當(dāng)你相信效率的提高時(shí)，甚至有改進(jìn)變得更加困難，在測(cè)量功率輸入和輸出時(shí)，一個(gè)可信的±0.1%的誤差可能意味著計(jì)算出的損耗可能比實(shí)際值多或少40%，而效率已經(jīng)達(dá)到99.5%左右。當(dāng)電源輸入是具有失真且功率因數(shù)不太完美的交流電，并且直流電源輸出具有殘余噪聲成分以混淆DVM時(shí)，情況會(huì)變得更糟?，F(xiàn)在通常采用量熱方法來(lái)實(shí)際測(cè)量熱量輸出，而不是從電測(cè)量中推斷。

圖1.即使測(cè)試設(shè)備精度±0.1%，在高效率水平下也能提供廣泛的效率測(cè)量精度變化

提高功率轉(zhuǎn)換器效率的一個(gè)相對(duì)低風(fēng)險(xiǎn)的選擇是改進(jìn)已經(jīng)設(shè)計(jì)的半導(dǎo)體?；?a href="http://ttokpm.com/tags/mosfet/" target="_blank">MOSFET的轉(zhuǎn)換器可以升級(jí)為使用具有較低導(dǎo)通電阻和可能更低開關(guān)能量要求的較新器件，并適當(dāng)考慮EMI輻射的變化。然而，為了充分利用最新的寬帶隙器件，如SiC MOSFET或GaN HEMT電池，需要對(duì)電路進(jìn)行更廣泛的更改，尤其是柵極驅(qū)動(dòng)。如果現(xiàn)有電路是基于IGBT的，那么您正在考慮從頭開始重新設(shè)計(jì)以使用寬帶隙器件。

柵極驅(qū)動(dòng)問(wèn)題與電壓電平有關(guān)——為了全面增強(qiáng)，SiC MOSFET 需要一個(gè)明顯高于 Si-MOSFET 的導(dǎo)通狀態(tài)驅(qū)動(dòng)，并且非常接近器件的絕對(duì)最大額定值，必須仔細(xì)限制。導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)之間的高電壓擺幅也需要一些驅(qū)動(dòng)功率，因?yàn)闁艠O電容在每個(gè)周期進(jìn)行充電和放電。此外，閾值電壓是可變的，并且具有遲滯，使得最佳驅(qū)動(dòng)變得困難。GaN HEMT電池在某種程度上正好相反，柵極閾值電壓和絕對(duì)最大值非常低，并且必須再次仔細(xì)控制驅(qū)動(dòng)電路以避免過(guò)應(yīng)力和故障。

如果功率轉(zhuǎn)換器電路需要反向或第三象限導(dǎo)通，則SiC MOSFET中體二極管的特性非常重要，并且由于其顯著的恢復(fù)能量和正向壓降，可能導(dǎo)致過(guò)度損耗。GaN器件沒(méi)有體二極管，通過(guò)通道反向?qū)?，但在通道通過(guò)柵極驅(qū)動(dòng)主動(dòng)增強(qiáng)之前，死區(qū)時(shí)間有高壓降。如果柵極在關(guān)斷狀態(tài)下被驅(qū)動(dòng)為負(fù)，則“換向”期間的下降甚至更高。

獲得最佳性能的一種方法是考慮SiC FETS，即Si-MOSFET和SiC JFET的級(jí)聯(lián)組合。這些器件具有Si-MOSFET的簡(jiǎn)單、非關(guān)鍵柵極驅(qū)動(dòng)，但性能品質(zhì)因數(shù)更好 RDS（開啟）x 阿和·DS（開啟）x E開放源碼軟件比碳化硅MOSFET和GaN HEMT電池。具有強(qiáng)大的固有雪崩能力和自限流短路電流，體二極管效應(yīng)類似于低壓Si-MOSFET，具有低正向壓降和快速恢復(fù)。這一切都意味著SiC FET通?？梢院?jiǎn)單地插入Si-MOSFET甚至IGBT插槽，以立即提高效率。與其他技術(shù)一樣，僅僅通過(guò)調(diào)整柵極驅(qū)動(dòng)電阻無(wú)法控制SiC FET的速度來(lái)限制EMI和應(yīng)力，但使用這些超快器件，過(guò)沖和振鈴受到小型RC緩沖器的有效限制，這也簡(jiǎn)化了器件的并行操作。更換IGBT時(shí)，可以提高開關(guān)頻率，而不會(huì)產(chǎn)生不必要的動(dòng)態(tài)損耗，從而獲得更小、更輕、更低成本的磁性元件的優(yōu)勢(shì)。

SiC FET是一種從所有常見轉(zhuǎn)換拓?fù)渲蝎@得更高效率的安全方法，并帶來(lái)所有隨之而來(lái)的好處。他們說(shuō)，如果你受不了熱，那么，好吧，停止烤蘋果派（不是一種選擇），但你可以在轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中改用SiC FET。

審核編輯：郭婷