在混合電源設(shè)計(jì)上，Si、SiC、GaN如何各司其職？

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/梁浩斌）今年5月英飛凌公布了專為AI數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)的PSU（電源供應(yīng)單元）路線圖，在3.3kW、8kW、12kW的PSU方案上，都混合采用了硅、氮化鎵、碳化硅三種功率開(kāi)關(guān)管，電子發(fā)燒友近期對(duì)此也進(jìn)行了報(bào)道。

在電源、逆變器等領(lǐng)域，近年第三代半導(dǎo)體的興起，讓各種采用SiC和GaN的方案出現(xiàn)在市場(chǎng)上，同時(shí)也包括多種器件混合使用的方案，所以這些混合方案都有哪些優(yōu)勢(shì)？

混合電源方案怎么選擇器件？

SiC和GaN、Si等功率開(kāi)關(guān)，特性都各有不同，因此可以說(shuō)最貴的、最新的也未必是最好的，還得要看適不適合實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景。

以開(kāi)頭我們說(shuō)到的英飛凌PSU方案為例，8kW PSU方案中，AC-DC級(jí)采用了多級(jí)PFC和SiC MOSFET，令該部分的效率高達(dá)99.5%，功率密度也達(dá)到100W每立方英寸；而DC-DC級(jí)上采用了GaN FET。

在AC-DC級(jí)的PFC電路中，需要對(duì)高壓的交流電轉(zhuǎn)化成直流電，在這個(gè)過(guò)程中，為了提高能源利用效率，必須要降低損耗。同時(shí)，由于工作在高電壓、強(qiáng)電流的工況下，對(duì)器件的耐高溫、熱穩(wěn)定性要求較高。

SiC MOSFET的耐壓能力相對(duì)更高，且導(dǎo)通電阻相比硅基MOSFET更低、降低導(dǎo)通損耗能夠有效提高系統(tǒng)的效率。開(kāi)關(guān)速度上，SiC MOSFET也遠(yuǎn)高于硅基器件，更高的開(kāi)關(guān)頻率，可以令PFC電路工作在更高的頻率下，縮小磁性元件和電容器的尺寸，降低整體系統(tǒng)的體積。同時(shí)相比硅IGBT，SiC MOSFET沒(méi)有拖尾電流的問(wèn)題，可以進(jìn)一步降低開(kāi)關(guān)損耗。

在熱性能方面，SiC MOSFET具備良好的熱穩(wěn)定性，可以在高溫環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間工作，所以綜合來(lái)看，SiC MOSFET在AC-DC級(jí)的PFC電路中更有優(yōu)勢(shì)。

而在后級(jí)的DC-DC上，目前很多電源采用LLC拓?fù)?，LLC轉(zhuǎn)換器的核心優(yōu)勢(shì)之一是其軟開(kāi)關(guān)操作，即零電壓開(kāi)關(guān)（ZVS）和零電流開(kāi)關(guān)（ZCS）。因此，所選的功率器件必須能夠承受在ZVS或ZCS條件下頻繁開(kāi)關(guān)，且在這些條件下具有低損耗。

為了減小磁性元件的尺寸和提高效率，LLC轉(zhuǎn)換器往往工作在較高的頻率，因此功率器件需要能夠支持高頻開(kāi)關(guān)而不增加過(guò)多的開(kāi)關(guān)損耗。在導(dǎo)通狀態(tài)下，也需要器件具備低導(dǎo)通電阻的特性，以提高DC-DC整體的轉(zhuǎn)換效率，尤其是功率較大、電流較大的情況下。

GaN FET的開(kāi)關(guān)頻率可以比硅MOSFET和SiC MOSFET更高，在開(kāi)關(guān)過(guò)程中損耗極低，這種特性也與軟開(kāi)關(guān)技術(shù)所匹配，采用GaN FET可以以極低的損耗在ZVS條件下快速切換，進(jìn)一步提升了效率。所以在電源后級(jí)的DC-DC上采用GaN功率開(kāi)關(guān)管相對(duì)更加適合。

混合分立器件和混合模塊

除了在電路中應(yīng)用不同的器件，一些單管器件中也可以集成不同材料的器件，同樣是出于對(duì)器件的特性需求考慮。

比如英飛凌面向光伏逆變器領(lǐng)域推出過(guò)一種650V混合SiC和硅基IGBT的單管產(chǎn)品，即將IGBT和SiC二極管做在同一個(gè)TO247-3/4封裝中。一般來(lái)說(shuō)，硅IGBT單管其實(shí)是將IGBT和FRD（快恢復(fù)二極管）封裝成單個(gè)器件，而混合碳化硅分立器件將其中的硅FRD換成SiC二極管。由于SiC二極管沒(méi)有雙極型硅基高壓FRD的反向恢復(fù)行為，混合碳化硅分立器件的開(kāi)關(guān)損耗獲得了極大的降低。

英飛凌將這種產(chǎn)品稱為混合SiCIGBT，兼顧了IGBT的高性價(jià)比和SiC二極管的超低反向恢復(fù)電流優(yōu)勢(shì)。根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)，SiC二極管對(duì)IGBT的開(kāi)通損耗影響很大，在集電極電流Ic=25A時(shí)降低70%，總開(kāi)關(guān)損耗能夠降低55%。

基本半導(dǎo)體的測(cè)試數(shù)據(jù)也顯示，這種混合碳化硅分立器件的開(kāi)通損耗比硅基IGBT的開(kāi)通損耗降低約32.9%，總開(kāi)關(guān)損耗比硅基IGBT的開(kāi)關(guān)損耗降低約22.4%。

SiC二極管在近幾年的價(jià)格得到了明顯下降，混合碳化硅分立器件整體的成本相比硅IGBT和硅FRD實(shí)際相差不會(huì)太大，因此未來(lái)會(huì)有很大的市場(chǎng)機(jī)會(huì)。

功率模塊方面，IGBT+SiC SDB的模塊已經(jīng)較為常見(jiàn)，另外還有一種功率模塊是采用SiC MOSFET和硅IGBT混合封裝，目前業(yè)界的方案大概是使用2顆SiC MOSFET配套6顆硅IGBT封裝成模塊，當(dāng)然這個(gè)比例還可以靈活調(diào)配。

這種方式的好處是，可以同時(shí)利用SiC和IGBT的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)系統(tǒng)控制，令SiC運(yùn)行在開(kāi)關(guān)模式中，IGBT運(yùn)行在導(dǎo)通模式。SiC器件在開(kāi)關(guān)模式中損耗低，而IGBT在導(dǎo)通模式中損耗較低，所以這種模式有可能實(shí)現(xiàn)在效率不變的情況下，降低SiC MOSFET的使用量，從而降低功率模塊的整體成本。

小結(jié)：

對(duì)于實(shí)際的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，方案能否快速實(shí)現(xiàn)推廣，還是要看成本是否有優(yōu)勢(shì)。在過(guò)去SiC等第三代半導(dǎo)體產(chǎn)品價(jià)格居高不下，供應(yīng)也無(wú)法跟上電動(dòng)汽車等應(yīng)用的需求爆發(fā)，成本過(guò)高自然也催生出一些比如IGBT+SiC SBD等的混合模塊方案。不過(guò)目前SiC、GaN等成本逐步下降，以及比如AI數(shù)據(jù)中心等的節(jié)能需求提高，相關(guān)電源等方案則更加著重于提高整體系統(tǒng)效率，根據(jù)應(yīng)用需求來(lái)選擇在不同的電路中選擇更匹配的器件。