新半導(dǎo)體技術(shù)將提升功率轉(zhuǎn)換效率

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摘要

功率轉(zhuǎn)換是幾乎所有電子器件中的常見元素，有多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。新興的應(yīng)用有其獨(dú)特的要求，這就促使工程師們開發(fā)能提供具有最佳性能和效率平衡的交流轉(zhuǎn)直流和直流轉(zhuǎn)直流轉(zhuǎn)換器。然而，這并非總是一個(gè)簡單任務(wù)。

選擇正確的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)僅僅是挑戰(zhàn)的開始，還必須仔細(xì)選擇功率組件，而隨著新半導(dǎo)體技術(shù)進(jìn)入市場，工程師們有機(jī)會(huì)發(fā)現(xiàn)和評估新解決方案能否解決舊問題。

白皮書

本白皮書介紹了新半導(dǎo)體技術(shù)的開發(fā)背景，并提供了幾個(gè)創(chuàng)新部件的示例，這些部件可以為當(dāng)前和新興功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用提供適當(dāng)?shù)墓δ芙M合。

電子器件和電機(jī)是現(xiàn)代社會(huì)的支柱，很難想象失去讓我們高效、舒適、信息豐富、娛樂的眾多電子器件后的工作和生活?？梢苑浅８爬ǖ卣f，這些設(shè)備都需要電力才能運(yùn)行，包括用于500kW工業(yè)電機(jī)的可變頻率和振幅的三相交流電以及用于數(shù)字處理器的0.6V直流電。從化石燃料或可再生能源中的潛能一直到CPU內(nèi)核電壓，都需要功率轉(zhuǎn)換級以及盡可能降低散逸到環(huán)境中的損耗。然而，隨著全球能耗不斷增加（2019年約為180,000 TWh），不完美的轉(zhuǎn)換效率會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生的熱量增加，加劇全球變暖，提高電力供應(yīng)商和消費(fèi)者等各方的成本。

世界各地的人們紛紛努力盡可能降低能耗，但是隨著全世界的經(jīng)濟(jì)體邁向現(xiàn)代化，能耗量在不可逆轉(zhuǎn)地增加。同時(shí)，各國/地區(qū)政府也在設(shè)立節(jié)能目標(biāo)。例如，在歐盟，到2030年，各成員國需要通過提升能效使得從主要來源中獲取的能量比2007年的預(yù)測合計(jì)降低32.5%。在物聯(lián)網(wǎng)、電動(dòng)車、5G普及和數(shù)據(jù)中心等市場的推動(dòng)下，全球電子設(shè)備需求呈爆炸性增長，這一背景與節(jié)能要求背道而馳。當(dāng)然，這些應(yīng)用中的功率轉(zhuǎn)換最終級數(shù)量眾多，且市場價(jià)值龐大。例如，2019年的直流轉(zhuǎn)換器市場價(jià)值為85億美元，預(yù)計(jì)到2025年將增長到224億美元，年復(fù)合增長率為17.5%，其中，電信應(yīng)用是增長龍頭。很明顯，在市場不斷擴(kuò)大的情況下實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)的唯一辦法是讓功率轉(zhuǎn)換過程變得前所未有地高效。

與效率問題最相關(guān)的是終端負(fù)載，隨后是局部溫度上升以及浪費(fèi)的電力造成的財(cái)務(wù)和環(huán)境成本。當(dāng)升溫時(shí)，設(shè)備可靠性和使用壽命會(huì)降低，用戶常常被迫提供主動(dòng)冷卻。然而，這本身就會(huì)消耗更多電力，而且只是簡單地將過多的熱量轉(zhuǎn)移到別處。因此，降低損耗是所有功率轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)的當(dāng)務(wù)之急。

新興應(yīng)用

直流轉(zhuǎn)換始終是開關(guān)模式電源的一個(gè)不可分割的元素，包括直接轉(zhuǎn)換或作為中間級，但是這些年來，功率電平和電壓電平發(fā)生了顯著變化。早期的設(shè)備電源會(huì)將經(jīng)過整流的主電源交流電轉(zhuǎn)換成12V直流電等，以便用于模擬和一般用途，還可以相對寬松地轉(zhuǎn)換成5V穩(wěn)壓電，用于TTL邏輯電路?，F(xiàn)在，大部分功率都是數(shù)字電路電源軌消耗的，這些電源軌需要更準(zhǔn)確，而且通常不到1V。對于同樣的功率，當(dāng)使用低壓時(shí)，電流電平會(huì)增加，造成更高的互聯(lián)損耗。此外，傳統(tǒng)整流器二極管等固定壓降更大程度上變成了終端電壓的一部分，造成了更多的損耗。

鑒于數(shù)據(jù)中心消耗了全球電力需求的1%左右。在此應(yīng)用中，從主要能源來源到最終負(fù)載電壓的轉(zhuǎn)換效率的重要性毋庸置疑。為解決此問題，在較高的直流電電壓及其相應(yīng)的較低電流下，使用有“中間總線”的電路圖進(jìn)行配電，并用“負(fù)載點(diǎn)”直流轉(zhuǎn)換器提供最終電壓。過去一直使用共源共柵的中間總線來盡量減小整個(gè)裝置各處的損耗，但是當(dāng)前趨勢是從主交流電源生成48V的電壓，在此時(shí)搭配備用電池，然后直接在負(fù)載處將48V轉(zhuǎn)換成不到1V（見圖1）。這可以免除對第二個(gè)中間總線的需要，但是最終的大型降壓轉(zhuǎn)換率本身就帶來了效率問題，需要有高性能的半導(dǎo)體開關(guān)。

圖1. 典型的現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心功率分布

僅僅幾年時(shí)間，實(shí)用的電動(dòng)車就已經(jīng)從科幻小說中走出來，成為主流車輛，并創(chuàng)造了一個(gè)新的功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用領(lǐng)域，而這個(gè)領(lǐng)域注定具有高額的市場價(jià)值（見圖2）。一個(gè)明顯的功能是大功率牽引逆變器，它將高壓電池直流電轉(zhuǎn)換成三相電動(dòng)機(jī)用電，不過也有許多其他級：電動(dòng)車上的傳統(tǒng)設(shè)備仍使用12V電池，該電池需要在脫離牽引蓄電池的情況下通過直流轉(zhuǎn)換器進(jìn)行充電。越來越多的轉(zhuǎn)換器采用雙向電流設(shè)計(jì)，以便在緊急情況下可以利用多余的電量進(jìn)行牽引。還有車載充電器（OBC），這是一個(gè)交直流轉(zhuǎn)換器，它也可以是雙向的，以便將電返回到電網(wǎng)中，支持公共設(shè)施負(fù)載調(diào)平。自然而然地，車中的大部分控制、安全和娛樂電子器件都是數(shù)字器件，還有眾多的專用直流轉(zhuǎn)換器來為局部電源軌供電。與此相對的是，快速的路邊充電器或家用充電器可以在數(shù)百千瓦的功率電平下提供牽引蓄電池電壓。在車輛中，功率轉(zhuǎn)換中損耗的每瓦特功率都會(huì)縮短單次充電行駛里程，而在充電器中，則會(huì)導(dǎo)致更高的運(yùn)行成本和延長投資回報(bào)時(shí)間。因此，效率再次成為關(guān)鍵，并突顯了對損耗極低的高壓半導(dǎo)體開關(guān)的需要。

圖2. 典型電動(dòng)車中的功率轉(zhuǎn)換

在更廣闊的社會(huì)中，出行設(shè)備及其充電器的增加會(huì)使得對高效功率轉(zhuǎn)換的需求越來越多，而在工業(yè)中，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）或“工業(yè)4.0”是市場的推動(dòng)因素，會(huì)需要更大量的較低功率傳感器和促動(dòng)器。這些都需要內(nèi)部直流轉(zhuǎn)換器，因?yàn)樗鼈円揽侩姵?、能量收集運(yùn)行，或依靠以太網(wǎng)供電（PoE）運(yùn)行，而不依靠使用一個(gè)大電源的傳統(tǒng)集中式設(shè)備布置。

轉(zhuǎn)換的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

如果要實(shí)施直流轉(zhuǎn)換以產(chǎn)生最終負(fù)載電壓，則有大量拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可供使用，具體取決于功率電平以及是否需要為安全性和功能而進(jìn)行隔離。除了非隔離、低效率的線性調(diào)節(jié)器，開關(guān)模式的調(diào)節(jié)器也普遍用于提高效率，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)衍生自兩個(gè)基本配置：“降壓”或“升壓”（見圖3）。降壓轉(zhuǎn)換器以脈沖形式直接將能量傳遞到輸出，并在主電源關(guān)閉期間用能量存儲電感器為輸出提供持續(xù)電流。在主電源打開期間，升壓轉(zhuǎn)換器在電感器內(nèi)存儲要求的所有輸出能量，然后在關(guān)閉期間將能量傳遞到輸出，且在兩種情況下均使用電容器穩(wěn)定到直流電的輸出。隔離的轉(zhuǎn)換器中的原理與等效的變壓器耦合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相同，分別稱為“正激”和“反激”轉(zhuǎn)換器。

圖3. 降壓、升壓、正激和反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

到目前為止，降壓衍生的轉(zhuǎn)換器在隔離和非隔離應(yīng)用中都極受歡迎，肯定可以用于超過幾十瓦的功率電平中。這是因?yàn)樯龎貉苌霓D(zhuǎn)換器中磁性元件的體積趨向于隨著功率直接擴(kuò)展，而在降壓轉(zhuǎn)換器中，這種情況較少，且實(shí)際的線號和隔離距離與磁性元件整體體積的關(guān)系更大。非隔離的降壓轉(zhuǎn)換器可擴(kuò)展至大功率，且損耗低，還有同步整流等其他功能，此時(shí)要用MOSFET取代圖3中的二極管：多相版本通過讓兩個(gè)或更多功率級有不同相來將應(yīng)力散布在半導(dǎo)體上，而最新一代寬帶隙（WBG）半導(dǎo)體提供低導(dǎo)電損耗和低開關(guān)損耗。對于隔離的轉(zhuǎn)換器，有更多降壓衍生的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可供選擇，從單開關(guān)類型到半橋和全橋均包含在內(nèi)，同樣需要搭配同步整流，并在更大功率電平下利用多相布置。

在上述所有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，在開關(guān)過渡期間都可能會(huì)產(chǎn)生功率耗散，且電壓和電流同時(shí)增大。為了抵消這一變化和提高效率，人們開發(fā)了“諧振”或“軟開關(guān)”設(shè)計(jì)，在開關(guān)打開時(shí)，它可延遲電流增大，直至電壓降至零（稱為零電壓開關(guān)或ZVS）。類似地，在關(guān)閉時(shí)可以安排零電流開關(guān)（ZCS）。在所有輸入、負(fù)載、隨著時(shí)間與溫度不斷變化的器件特征下，ZVS或ZCS都很難實(shí)現(xiàn)正確的定時(shí)，因此控制技術(shù)可能很復(fù)雜，但是現(xiàn)在有專門的控制集成電路來實(shí)現(xiàn)此功能。在大功率下，諧振相移全橋（PSFB）十分受歡迎，因?yàn)樗菀讓?shí)現(xiàn)50%占空比的開關(guān)驅(qū)動(dòng)，并能通過改變橋布置中柵極驅(qū)動(dòng)對的相來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)。

對于中間功率，LLC系列諧振轉(zhuǎn)換器（見圖4）現(xiàn)在是高效率的標(biāo)準(zhǔn)，而且也有容易實(shí)現(xiàn)的50%占空比的柵極驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)半橋和全橋，還能通過在相對窄的范圍內(nèi)改變開關(guān)頻率來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)。

圖4. LLC諧振直流轉(zhuǎn)換器

引入數(shù)字控制技術(shù)也能促進(jìn)PSFB和LLC類型等復(fù)雜諧振設(shè)計(jì)的采用，這種技術(shù)非常靈活，能調(diào)整電路動(dòng)態(tài)，以適應(yīng)不斷變化的條件，從而在運(yùn)行范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效率。

LLC轉(zhuǎn)換器

進(jìn)一步檢查LLC轉(zhuǎn)換器可以獲得很多信息，了解拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如何降低半導(dǎo)體開關(guān)中的功耗。在圖4的電路草圖中，兩個(gè)開關(guān)柵極在50%占空比下反相驅(qū)動(dòng)，為L1、C1和變壓器T1的一次電感構(gòu)成的諧振電路或“回路”提供簡單的方波。簡單地說，通過變壓器體現(xiàn)出來的回路和負(fù)載構(gòu)成了一個(gè)分壓器，以至于在諧振下，回路有電阻并達(dá)到最小值，因而沒有衰減。在較高或較低的頻率下，不采用諧振的情況下，回路的阻抗是電容性的或電感性的，且衰減是多變的，但是會(huì)在主諧振頻率下達(dá)到峰值，頻率則取決于負(fù)載。這允許通過變化驅(qū)動(dòng)頻率來控制輸出電壓，并有附加效應(yīng)，即回路會(huì)過濾方波驅(qū)動(dòng)，以在變壓器一次側(cè)和二次側(cè)產(chǎn)生必要的正弦電流。因此不需要輸出濾波電感器。實(shí)際上，L1/C1將形成兩次諧振，L1處有變壓器的磁化電感，再加上C1，通過功率電路的增益變化會(huì)很復(fù)雜（見圖5）。實(shí)際電路圍繞L1/C1諧振運(yùn)行，也就是圖5中的Fr1。

圖5. 在不同負(fù)載級別下，LLC轉(zhuǎn)換器中的功率級增益隨頻率而變化

兩個(gè)一次開關(guān)中都可以實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)。簡單地說，采用電感負(fù)載，電流會(huì)落后于電壓，因此，如果LLC轉(zhuǎn)換器以高于其主諧振的頻率運(yùn)行，此時(shí)回路會(huì)有電感，則電流只會(huì)在電壓提供盡可能小的疊加和耗損后上升。磁化電感中存儲的能量會(huì)導(dǎo)致在Q1關(guān)閉后和打開前，開關(guān)Q2內(nèi)在死區(qū)時(shí)間有反向電流，從而在常見開關(guān)連接點(diǎn)釋放電容內(nèi)的電，這是實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)的必要條件，且在Q1打開和Q2關(guān)閉過程中會(huì)出現(xiàn)零電壓開關(guān)的等效機(jī)制。輸出二極管中會(huì)自然而然地出現(xiàn)零電流開關(guān)。然而，零電壓開關(guān)可能無法實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致在過載或短路情況下出現(xiàn)高損耗的“硬開關(guān)”，此時(shí)在電流領(lǐng)先于電壓的電容區(qū)，電路不得不在低頻率下運(yùn)行。如果電感中存儲的能量不足以讓開關(guān)節(jié)點(diǎn)電容放電，在輕負(fù)載下也可能無法實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)。因此，人們更想要輸出電容和相應(yīng)EOSS極小的半導(dǎo)體開關(guān)，以便在所有正常條件下實(shí)現(xiàn)極低的開關(guān)損耗，且如果在非正常情況下無法實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)，還需要恢復(fù)電荷QRR低的快速體二極管。

半導(dǎo)體開關(guān)及其性能表征（FoM）

LLC轉(zhuǎn)換器和類似拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所用的半導(dǎo)體開關(guān)有幾種類型可供選擇。硅MOSFET一直是標(biāo)準(zhǔn)解決方案，但是其使用有一些限制，還有一些要避免的缺陷。MOSFET中的輸出電容COSS和存儲的能量EOSS的量都是非線性的，可能會(huì)很大，因而需要比理想的死區(qū)時(shí)間更長的時(shí)間來放電。確保在開關(guān)前放電對于實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)非常重要，但是在為電容充電的過程中仍有功率消耗，P = f x 0.5 x COSS x V2，由于V2，電壓越高，問題越大。很顯然，EOSS必須盡可能低，但是在所有其他條件相同的情況下，它還需要與導(dǎo)通電阻進(jìn)行權(quán)衡。較大的晶?？梢杂械蚏DS(ON)，并借助許多并聯(lián)單元實(shí)現(xiàn)低導(dǎo)電損耗，但是COSS和受其影響的EOSS自然會(huì)較高。因此在比較器件時(shí)，性能表征RDS*EOSS十分重要。在RDS*EOSS值相似的情況下，另一個(gè)可用于區(qū)分的性能表征是RDS-A，即單位晶粒面積的導(dǎo)通電阻。該值小，則表示器件電容低，給定目標(biāo)導(dǎo)通電阻下的晶圓產(chǎn)出較高，因而單位成本較低。

在比較器件時(shí)，體二極管的特征或二極管效應(yīng)很重要。在諧振轉(zhuǎn)換器中，MOSFET內(nèi)的固有二極管會(huì)在軟開關(guān)期間自然而然地導(dǎo)電，但是其性能相對較差，且前向壓降高，電荷恢復(fù)QRR緩慢，且在高頻率和短死區(qū)時(shí)間下可能無法在開關(guān)周期內(nèi)完成電荷恢復(fù)，從而導(dǎo)致?lián)p耗。氮化鎵（GaN）HEMT單元等寬帶隙器件沒有二極管，但是在“第三象限”通過主溝道從源極到漏極導(dǎo)電而非像MOSFET一樣通過寄生二極管導(dǎo)電。雖然在第三象限導(dǎo)電過程中HEMT單元中沒有恢復(fù)電荷，前向壓降也很高，等于柵極打開閾值電壓加上應(yīng)用的任何負(fù)關(guān)閉驅(qū)動(dòng)電壓。寬帶隙碳化硅（SiC）技術(shù)中的MOSFET有與肖特基二極管一樣快的寄生二極管，但是同樣地，前向電壓高，約為3V。雖然第三象限導(dǎo)電時(shí)間短，但是在需要極高的效率時(shí)，二極管或二極管效應(yīng)產(chǎn)生的損耗仍然很明顯。RDS*QRR是一個(gè)有用的性能表征，綜合衡量溝道導(dǎo)電和二極管損耗。SiC MOSFET和GaN HEMT單元也需要達(dá)到非常敏感的柵極驅(qū)動(dòng)要求才能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)效率。

SiC FET是所有特征都達(dá)到最優(yōu)的器件（見圖6），它將低壓Si-MOSFET和SiC JFET以共源共柵配置結(jié)合在一起，同樣，它的RDSA、RDS*EOSS和RDS*QRR性能表征都比硅超結(jié)MOSFET、SiC MOSFET和GaN HEMT單元低。

圖6. SiC FET – Si MOSFET和SiC JFET的共源共柵結(jié)構(gòu)

SiC FET有SiC的優(yōu)勢，能實(shí)現(xiàn)超快的開關(guān)，導(dǎo)熱系數(shù)高，能在高溫下運(yùn)行，也具有低壓Si-MOSFET能輕松實(shí)現(xiàn)柵極驅(qū)動(dòng)的優(yōu)勢。該器件的電容和存儲的電荷都很低，有快速體二極管效應(yīng)，在25°C下，前向壓降很低，僅為1.5V左右。與GaN器件不同，SiC FET具有固有的雪崩能力，并有在短路條件下進(jìn)行自限流的功能。

結(jié)論

在所有現(xiàn)代功率轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中，效率都是實(shí)現(xiàn)節(jié)能、降低成本和減小體積的推動(dòng)因素，這些都可以通過降低功率耗散來實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)代電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使用諧振開關(guān)，通常都能實(shí)現(xiàn)97%以上的效率，而剩余的損耗集中在殘余的導(dǎo)電和開關(guān)效應(yīng)中。為了進(jìn)一步降低損耗，現(xiàn)在有了SiC FET等寬帶隙半導(dǎo)體開關(guān)，其導(dǎo)通電阻測量值為數(shù)毫歐，開關(guān)特征近乎理想。結(jié)合簡單的電路實(shí)現(xiàn)和完整的SiC FET器件選項(xiàng)組合，UnitedSiC為低損耗功率開關(guān)提供了高性能、穩(wěn)健的解決方案。

審核編輯 黃宇