下一代電源系統(tǒng)設計中的新型寬禁帶技術

當務之急：盡可能降低發(fā)熱量

根據國際能源署的數據，全球電能需求目前處于驚人的水平，預測到2020年將達到近30拍瓦。對于我們這些認為幾千瓦的烤面包機就屬高功率的普通人來說，這幾乎是一個無法想像的數字。主要受亞洲經濟體的驅動，這個數字一定還會增加，當然，現在有一項關注重點是通過可再生能源滿足這種需求，以便緩解氣候變化影響。截留太陽輻射、風能和其他綠色能源，在其轉化為熱量前提取電力，這樣的方法應該沒有凈增溫效應。但是化石燃料仍然是主要的能源，它們會釋放出本來會被“鎖定”的熱量。因此，在從原礦到有用功的轉換過程中，效率非常關鍵，較高的效率可以避免過多的能量損失到環(huán)境中，同時也節(jié)約了成本。

當今能源的主要用途是工業(yè)生產，特別是驅動電機，但數據中心消耗的能源也不少，此外電動汽車 (EV) 的充電需求在未來幾年也會有爆炸性的增長。在這些應用以及從家用電器到手機充電器的許多其他應用中，都可以看到極力降低功耗的技術創(chuàng)新，它們都利用了“智能”技術，例如電動機的變頻驅動器。這牽涉到使用電子電源，它們現在穩(wěn)穩(wěn)占據著業(yè)界的C位，能量轉換損失比以往更低。在本文中，我們將著眼于設計人員在現階段如何使用半導體開關技術，從而更容易地實現高效的功率轉換器。

功率轉換挑戰(zhàn)和拓撲

我們都在講“功率轉換器”，但這個名稱其實有點不恰當——它的理想情況是實現設備的輸出功率與輸入功率完全相同才對。這就是功率轉換器設計人員所追求的目標：將電能從配電系統(tǒng)（通常是交流市電或直流母線）轉換為不同的直流或交流電壓，同時又不會將任何電能耗散為廢熱。出于安全或功能性的原因，有時需要通過變壓器耦合進行電氣隔離；輸出電壓可能高于也可能低于輸入電壓，或者經過或不經過主動調節(jié)，但在所有情況下，“開關模式”技術都已變得無處不在。

多年來，雙極型半導體已成為需要電控開關應用的常規(guī)選擇，例如在功率轉換和電機驅動器應用中。但這種趨勢已經發(fā)生了變化，最初是緣于金屬氧化物半導體場效應管 (MOSFET)，現在則是氮化鎵 (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能力，非常適合高壓和大功率開關應用。

轉換器的拓撲也得到了改進，其中最有效的就是大功率下多開關半橋或全橋配置中的“諧振”類型。使用IGBT或MOSFET的三相橋現在通常用于產生電機驅動器的交流電。在所有這些拓撲中，理想的開關在打開或關閉時都不會耗散任何功率，理想的電感器、變壓器或電容器也不會耗散熱量，因此轉換器設計的重點是使用性能最接近理想值的元件，同時盡可能減少瞬變耗散條件，例如開關在接通和斷開狀態(tài)之間的開關擺幅。在現代設計中，這類“開關”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轉換次數（頻率）成正比，因此對于半導體而言，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，因此在選擇頻率時需要折衷考慮，最終結果既有可能是電機驅動器中的幾kHz，也有可能是需要優(yōu)先考慮尺寸時（如在電信應用中）的幾MHz。

最新的SiC和GaN寬禁帶器件固有的開關速度非常快，以至于無法測量。但器件內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，設備輸出電容 (COSS) 和充放電所需能量 (EOSS) 是重要的品質因數 (FOM)，MOSFET的導通電阻RDS(ON)也是如此，后者在高電流的場景至關重要。導通電阻和管芯面積的乘積RDS(ON)?A是總損耗的另一個重要FOM，隨著管芯面積的縮小，電容及其相關的開關損耗也會降低。

認識寬禁帶半導體

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半導體，需要相對較高的能量才能將電子從原子的“價”帶移動到其“導”帶，從而使電子流過?！敖麕А钡亩攘繂挝皇请娮臃?(eV)，硅 (Si) 的這個值約為1.1eV，SiC是3.2eV，GaN則是3.4eV。高禁帶值產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，因而能加快開關速度。SiC器件還容易表現出優(yōu)異的導熱性。

我們知道，較小的管芯尺寸可減少WBG器件的電容并實現更快的開關速度。小管芯尺寸的另一個結果是大大降低了柵極驅動器的功率要求。在用于MOSFET和IGBT硅片的傳統(tǒng)技術中，產生有效開關需要較高的柵極電荷值，有時對于IGBT可達微庫侖的數量級，對于功率MOSFET則約為數百納庫侖。這就需要很大的驅動功率，對于較大的IGBT，功率需要達到瓦特的數量級，從而造成了顯著的系統(tǒng)損耗。對于WBG器件而言，即使在很高的頻率下，損耗也僅為毫瓦級。

此外，WBG器件還有更多優(yōu)勢。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。盡管封裝實際上將溫度限制在較低的工作溫度范圍內，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用。

WBG器件的發(fā)展

盡管IGBT和硅MOSFET仍在功率開關市場中占主導地位，并且隨著新一代的出現而不斷得到改進，但是將WBG器件的潛在性能與之進行比較時，使用WBG器件的案例仍然引人注目。作為新興技術，WBG的成本一開始要高于硅，但其價格正在下降，并且連鎖系統(tǒng)的優(yōu)點在很大程度上抵消了這一點。例如，這些器件的效率可能會得到顯著提高，與此同時，尺寸、重量和相應的其他元件（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相應降低。此外，系統(tǒng)功能性能也會隨著更快的開關速度、更快的負載變化響應和更流暢的電機控制而得到改善。

WBG器件制造商

總體而言，WBG器件制造商可以有理由說，使用他們器件的價值在于任何存在功率轉換的新應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，使部件易于使用并且堅固耐用，尤其是在電機驅動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，以及他們如何將WBG技術結合到他們的產品中。

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，就可能會失效，或者至少會降低通道遷移率和導通電阻。作為解決方案，它選擇了一種溝槽結構，可在低柵極電場強度下實現低通道電阻。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構。不同于SiC MOSFET，HEMT沒有體二極管，這使得它們特別適合“硬開關”應用。其結構被設計成與使用SiC MOSFET一樣的增強模式工作，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)內超高的額定溫度，達到了200°C，在這個溫度范圍內具有出色的超低導通電阻。這避免了電動機驅動器等當中的換向電路對外部二極管的依賴，從而節(jié)省了空間和成本。

ROHM

ROHM也是SiC MOSFET市場上的主要參與者，其新器件具有高性價比和突破性的性能。ROHM推出了一款共同封裝了反并聯SiC肖特基勢壘二極管的SiC MOSFET，可用于要求苛刻的換向開關應用，其中并聯二極管在1.3V時較低的正向壓降產生的損耗低于4.6V時的體二極管。

ROHM還與WBG領域的另一家公司GaN Systems開展合作。GaN Systems是一家專注于專利封裝技術的公司，這些技術充分利用GaN的速度和低導通電阻特點。其“Island Technology”（島技術）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封裝技術可提供出色的熱性能、密度和低厚度。

Panasonic

Panasonic是GaN市場的另一家主要參與者，其采用專利技術的X-GaNTM器件可以實現“常斷”操作而沒有“電流崩塌”。“電流崩塌”是一種GaN效應，指的是漏極之間的俘獲電子在施加高壓時會瞬時增加導通電阻，從而可能導致器件故障（圖4）。Panasonic柵極注入晶體管 (GIT) 技術也是一項重大進步，這項技術帶來一種真正的“常閉”GaN器件，可使用類似于硅MOSFET的柵極電壓來驅動。

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

結論

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際上在于成本、易用性和經過證明的可靠性。所有這些問題都已被市場上的主要參與者解決，大規(guī)模生產現在已經成為現實。從航空航天到高能效電機和電動車的驅動，乃至日常使用的適配器，寬禁帶器件在效率和尺寸占據關鍵因素的領域擁有非常廣泛的應用前景。

審核編輯：郭婷