寬帶隙半導(dǎo)體技術(shù)為實(shí)現(xiàn)更高效功率轉(zhuǎn)換打開(kāi)大門(mén)

在不懈提高功率轉(zhuǎn)換效率的道路上，寬帶隙半導(dǎo)體正帶來(lái)顯著進(jìn)步

如果詢問(wèn)任何功率電子器件設(shè)計(jì)師他們追求什么，轉(zhuǎn)換效率通常都會(huì)名列前茅。高效率不僅能節(jié)能，還有附帶好處，即打造更小、更輕、更便宜的產(chǎn)品，而釋放的空間還可用于提高可靠性和增加功能。實(shí)際上有些應(yīng)用受益匪淺，如電動(dòng)車(chē)，它的單次充電行駛里程會(huì)有所提高，還有數(shù)據(jù)中心，其中的電子器件和必要空調(diào)的能耗是一大問(wèn)題，目前占全球能源需求的1%以上。

功率轉(zhuǎn)換效率提高了電動(dòng)車(chē)的可行性

電動(dòng)車(chē)是車(chē)輪上的數(shù)據(jù)中心，具有工業(yè)規(guī)模的電動(dòng)機(jī)控制（圖1），它的可行性取決于牽引逆變器和充電電路的效率。效率每提高一個(gè)百分點(diǎn)都能促進(jìn)散熱需求降低、重量減輕、單次充電行駛里程增加和成本降低，這構(gòu)成了一個(gè)良性循環(huán)。

【圖1：典型的電動(dòng)車(chē)功率轉(zhuǎn)換元件】 鋰離子電池是電動(dòng)車(chē)的心臟所在，它可以是48V，用于輕度混合動(dòng)力，也可以達(dá)到500-800V，實(shí)現(xiàn)完全電動(dòng)。電動(dòng)車(chē)中有車(chē)載交直流充電器，它通常雙向?qū)щ?，可以將多余的能量返回到電網(wǎng)中賺錢(qián)，還有多種輔助直流轉(zhuǎn)換器，用于為保障安全舒適的設(shè)備供電，當(dāng)然也少不了牽引逆變器，它也有雙向電流，可利用剎車(chē)或慣性滑行中的再生能量。

電動(dòng)車(chē)功率轉(zhuǎn)換中的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)壓倒性地決定了損耗，而在牽引逆變器中，IGBT可能是個(gè)好選擇，盡管IGBT只能在低頻下實(shí)現(xiàn)高效開(kāi)關(guān)。然而以前，這并不是一個(gè)大問(wèn)題，因?yàn)榻涣麟妱?dòng)機(jī)可以在10kHz或更低頻率的驅(qū)動(dòng)下充分運(yùn)行。不過(guò)，提高頻率能帶來(lái)一些好處，能讓電動(dòng)機(jī)控制更加順暢，能實(shí)現(xiàn)更符合正弦波的驅(qū)動(dòng)，從而降低鐵損和電動(dòng)機(jī)磨損。接近恒定的飽和電壓可以讓IGBT保持低導(dǎo)電損耗，但是寬帶隙開(kāi)關(guān)，尤其是碳化硅（SiC），異軍突起，其導(dǎo)通損耗極低，因而現(xiàn)具有強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)力，還能隨意并聯(lián)，進(jìn)一步降低損耗。FET和MOSFET等SiC器件還滿足雙向電流要求，因?yàn)樵谂渲贸砷_(kāi)關(guān)或同步整流器后，它們可以向任意方向?qū)щ?。IGBT則不能反向?qū)щ姡枰粋€(gè)損耗不菲的并聯(lián)二極管才能實(shí)現(xiàn)此功能。

隨著功率要求的提高，電動(dòng)車(chē)充電器和輔助直流轉(zhuǎn)換器也逐漸被納入能耗計(jì)算范疇中，而它們能直接從使用小磁性元件實(shí)現(xiàn)的更高頻率開(kāi)關(guān)中獲益。一直以來(lái)，開(kāi)關(guān)都使用硅超結(jié)MOSFET，但是寬帶隙器件有著更高的邊沿速率并能降低導(dǎo)通電阻，現(xiàn)可實(shí)現(xiàn)有用的效率增益。

新的功率轉(zhuǎn)換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能盡量提高數(shù)據(jù)中心的效率

雖然數(shù)據(jù)中心對(duì)能量的需求前所未有地多，但是高效功率轉(zhuǎn)換器和配電方案的推出使得該需求從2010年到2018年實(shí)際上僅增加了約6%，而同期的互聯(lián)網(wǎng)流量增加了10倍，存儲(chǔ)量增加了20倍。

在無(wú)橋圖騰柱PFC級(jí)（TPPFC）和諧振移相全橋與“LLC”直流轉(zhuǎn)換器等高效拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的幫助下，數(shù)據(jù)中心的交直流轉(zhuǎn)換器現(xiàn)在基本都能達(dá)到“80+鈦金”標(biāo)準(zhǔn)，即在230V交流電和50%負(fù)載下，能效至少達(dá)到96%。這些電路傳統(tǒng)上采用硅MOSFET開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)在則因采用寬帶隙器件而獲益，這些器件的導(dǎo)電損耗和動(dòng)態(tài)損耗都較低。事實(shí)上，由于存在體二極管反向恢復(fù)損耗，在高頻和大功率下采用硅MOSFET實(shí)現(xiàn)TPPFC布置是不可行的。采用SiC或氮化鎵（GaN）則可以解決這個(gè)問(wèn)題。

數(shù)據(jù)中心使用的配電方案也有所改進(jìn)，以提升效率（圖2）。交直流轉(zhuǎn)換器帶來(lái)的“中間總線”用于在更高電壓（通常為385V直流電）下傳輸電力，然后電力會(huì)被隔離，并轉(zhuǎn)換為48V，與備用電池一起實(shí)現(xiàn)更多的本地配電，之后電力流經(jīng)隔離或非隔離的車(chē)載“負(fù)載點(diǎn)”轉(zhuǎn)換器，以進(jìn)入最終轉(zhuǎn)換級(jí)。

【圖2：數(shù)據(jù)中心配電布置】

高效功率轉(zhuǎn)換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

現(xiàn)代高效轉(zhuǎn)換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都可以歸為衍生出“降壓”和“升壓”功能的兩個(gè)基本類(lèi)別，在絕緣版本中則稱(chēng)為“正激”和“反激”。它們都能在“硬”或“軟”（諧振）開(kāi)關(guān)模式下運(yùn)行，并具有至少一個(gè)開(kāi)關(guān)和整流器，在極為負(fù)載的多電平電路中，每個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也可能有數(shù)十個(gè)開(kāi)關(guān)和整流器。

采用具有較低導(dǎo)通電阻的開(kāi)關(guān)并用同步整流器替代二極管就能盡可能降低導(dǎo)電損耗，通常用MOSFET實(shí)現(xiàn)。理論上，通過(guò)并聯(lián)零件可以任意降低導(dǎo)電損耗。電壓/電流疊加、二極管反向恢復(fù)能量和器件電容充電/放電造成的開(kāi)關(guān)損耗則比較難以控制，并會(huì)隨著頻率提高而提高，且成正比。這阻礙了硅MOSFET在非常高的頻率下的使用，在這種情況下，我們的目標(biāo)是大幅減小磁性元件的體積。對(duì)于部分“零壓開(kāi)關(guān)”（ZVS）或“零電流開(kāi)關(guān)”（ZCS）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)而言，在諧振模式下運(yùn)行是一種解決辦法，但是必須要小心確保在瞬態(tài)或過(guò)載條件下不會(huì)發(fā)生具有破壞性的高損耗“硬”開(kāi)關(guān)。在這種情況下，寬帶隙器件可以憑借其無(wú)論如何都比硅低的動(dòng)態(tài)損耗提供一些安全裕度。

實(shí)際上，部分轉(zhuǎn)換級(jí)必須采用“硬開(kāi)關(guān)”，如上文提到的TTPFC，它在大功率和“連續(xù)導(dǎo)電”模式下運(yùn)行，以將峰值電流和組件應(yīng)力保持在合理范圍內(nèi)。此時(shí)，寬帶隙器件的價(jià)值無(wú)法估量。

高效拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的示例——LLC轉(zhuǎn)換器

LLC轉(zhuǎn)換器（圖3）很好地詮釋了高效轉(zhuǎn)換器?！癓LC”這個(gè)名稱(chēng)得自構(gòu)成諧振回路的一次電路中的兩個(gè)電感器和一個(gè)電容器。

【圖3：LLC轉(zhuǎn)行器略圖】

在變壓器T1中，L1是獨(dú)立的或受控的漏電感，第二個(gè)電感器是T1的一次側(cè)電感器。在反相和可變頻率下，Q1和Q2以50%的占空比驅(qū)動(dòng)，為回路提供方波驅(qū)動(dòng)。在回路的諧振頻率下，阻抗極低，會(huì)有盡可能多的能量通過(guò)變壓器行為傳遞到輸出端。如不采用諧振，電感器或電容的阻抗會(huì)較高，傳輸?shù)哪芰恳草^少。對(duì)于恒定的輸出負(fù)載，這意味著可以通過(guò)改變驅(qū)動(dòng)頻率有效控制輸出電壓。實(shí)際上，設(shè)定的名義頻率會(huì)高于諧振頻率，這讓回路“電感十足”，以至于Q1和Q2都自然而然地出現(xiàn)了零壓開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)了低損耗。變壓器一次側(cè)和二次側(cè)電流呈正弦波，因此輸出二極管實(shí)現(xiàn)零電流開(kāi)關(guān)。由于發(fā)生多重諧振，LLC的控制非常復(fù)雜，但是它可以在非常高的頻率下運(yùn)行。

損耗描述

很難說(shuō)給定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、頻率和負(fù)載范圍采用哪種開(kāi)關(guān)技術(shù)最好，因而“品質(zhì)因數(shù)”（FOM）會(huì)很有用。其中一個(gè)是RDS（ON）.A，器件導(dǎo)通電阻與晶粒面積的乘積。它有用地表明了給定晶粒體積與導(dǎo)電損耗的關(guān)系，即始終可以通過(guò)提高晶粒體積降低導(dǎo)通電阻，但是電容、開(kāi)關(guān)損耗和成本也會(huì)隨之增加，而單晶圓的產(chǎn)量則會(huì)下降。性能表征RDS（ON）.EOSS是另一個(gè)指標(biāo)，結(jié)合了導(dǎo)電損耗和開(kāi)關(guān)損耗，開(kāi)關(guān)損耗是由器件輸出電容內(nèi)存儲(chǔ)的能量造成的，該指標(biāo)對(duì)“硬”開(kāi)關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)十分重要。在Si-MOSFET中，EOSS可能很高并且可變，而在相同導(dǎo)通電阻和器件電壓級(jí)下，在SiC MOSFET中則較低，在SiC FET共源共柵結(jié)構(gòu)中的值也較低。SiC FET是SiC JFET和Si-MOSFET的共源共柵結(jié)構(gòu)。另一個(gè)重要參數(shù)是在開(kāi)關(guān)中任何體二極管效應(yīng)的反向恢復(fù)能量，它在硬開(kāi)關(guān)條件下會(huì)造成顯著耗損。SiC MOSFET的一些值很低，但是增益會(huì)被抵消，因?yàn)槎O管前向壓降高，如果因“換向”而在開(kāi)關(guān)“死區(qū)”時(shí)間內(nèi)導(dǎo)電，這會(huì)造成耗損增加。比較而言，SiC FET共源共柵結(jié)構(gòu)的二極管恢復(fù)能量更低，前向壓降也低得多。GaN器件沒(méi)有恢復(fù)效應(yīng)，通過(guò)溝道反向?qū)щ?，但是在換向條件下壓降高，且壓降取決于柵極驅(qū)動(dòng)電壓等級(jí)。

各種開(kāi)關(guān)類(lèi)型的溝道影響和反向?qū)щ姄p耗都可以用性能表征RDS（ON）.Qrr來(lái)描述，而一個(gè)在高頻軟開(kāi)關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中表示性能的指標(biāo)是性能表征RDS（ON）.COSS（tr），其中的tr表示“與時(shí)間相關(guān)”。

比較開(kāi)關(guān)技術(shù)

在高頻轉(zhuǎn)換器方面，之前提到了硅超結(jié)MOSFET、SiC MOSFET、GaN HEMT單元和SiC FET共源共柵結(jié)構(gòu)。表1中總結(jié)了在相同電壓和器件電流級(jí)下它們的性能表征的比較結(jié)果。

【表1：在650V/20A等級(jí)下比較開(kāi)關(guān)特征】 從表中可以看出，與硅相比，SiC MOSFET和GaN具有損耗方面的優(yōu)勢(shì)，不過(guò)在上述示例中，它們的雪崩能量額定值和到殼的熱阻比較差。然而，UnitedSiC制造的SiC FET具有更好或相同的性能表征，在所述等級(jí)下，導(dǎo)通電阻顯著降低，并且由于銀燒結(jié)晶粒連接方式和晶圓減薄技術(shù)，到殼的熱阻也好得多。

SiC FET的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是，與其他寬帶隙技術(shù)相比，它的柵極驅(qū)動(dòng)很簡(jiǎn)單。SiC MOSFET需要大約18V的柵極驅(qū)動(dòng)才能實(shí)現(xiàn)全面增強(qiáng)，與絕對(duì)最大值非常接近，而柵極閾值是可變的，受遲滯影響，并影響短路耐受性。GaN的柵極閾值電壓低，絕對(duì)最大值差不多低，因而必須小心驅(qū)動(dòng)以免瞬態(tài)和短路造成電壓過(guò)應(yīng)力，在存在高dV/d和di/dt波形時(shí)，電壓過(guò)應(yīng)力非常危險(xiǎn)。

在比較中，SiC FET可以使用標(biāo)準(zhǔn)硅MOSFET或IGBT柵極驅(qū)動(dòng)在典型的0-12V電壓下驅(qū)動(dòng)，且距離最大絕對(duì)值有很大的裕度。該閾值穩(wěn)定，表明沒(méi)有遲滯，且柵極電壓不會(huì)影響固有的SiC FET短路耐受額定值。

UnitedSiC的“第四代”SiC FET現(xiàn)在的開(kāi)關(guān)速度極快，以致于在需要控制邊沿速率以盡量減小過(guò)沖和EMI時(shí)，這可能會(huì)成為一個(gè)實(shí)際問(wèn)題。然而，UnitedSiC已經(jīng)表明簡(jiǎn)單的低損耗緩沖電路是一個(gè)有效解決方案。一個(gè)新發(fā)展是采用自由JFET柵極的SiC FET共源共柵結(jié)構(gòu)，它允許更好地控制開(kāi)關(guān)速度，而將共源共柵的Si-MOSFET一同封裝則仍允許在啟動(dòng)、關(guān)閉和故障條件下實(shí)現(xiàn)常關(guān)型運(yùn)行。

結(jié)論

寬帶隙半導(dǎo)體技術(shù)為實(shí)現(xiàn)更高效的功率轉(zhuǎn)換打開(kāi)了大門(mén)。UnitedSiC生產(chǎn)的SiC FET走在最前沿，各方面的性能表征都十分出色。