IGBT 和 GaN、SiC 和硅 FET 的統(tǒng)一視圖和價(jià)格-性能分析

在設(shè)計(jì)電力電子設(shè)備時(shí)，我們需要評估所有業(yè)務(wù)需求和技術(shù)要求，以優(yōu)化設(shè)計(jì)周期時(shí)間，從而以更低的成本實(shí)現(xiàn)更高性能的系統(tǒng)。這是DiscoverEE及其創(chuàng)始人 Shishir Rai 的目標(biāo)，他在PCIM期間談到了當(dāng)今市場上推廣的所有關(guān)鍵氮化鎵、碳化硅、硅 MOSFET 和 IGBT 功率器件的統(tǒng)一視圖，以及它們的性能與成本分析。

在本文中，電路工作被認(rèn)為是在 400 V、15 A 和 0.5 的占空比下以 10、50 和 100 kHz 的開關(guān)頻率提供 3 kW 的功率。本研究考慮了來自超過 35 個(gè)制造商的 25,000 多個(gè)功率器件，每個(gè)器件的功率損耗是根據(jù)它們的數(shù)據(jù)表規(guī)格計(jì)算得出的?？偲骷β蕮p耗目標(biāo)小于 40 W，計(jì)算時(shí)考慮了傳導(dǎo)損耗、開關(guān)損耗和二極管反向恢復(fù)損耗，因?yàn)樗鼈兪瞧骷β蕮p耗的主要貢獻(xiàn)者。它們是通過圖 1 中所示的方程估計(jì)的。

圖 1：電路條件和功率損耗要求

為使分析易于理解，作者假設(shè)快速開關(guān)外部二極管與器件并聯(lián)使用，Q RR為 100 nC。本研究忽略了所有其他功率損耗來源。

功率損耗分析

結(jié)果在 y 軸上繪制了計(jì)算出的功率損耗，在 x 軸上繪制了相應(yīng)的 VDS (on) /VCE (on)。深藍(lán)色圓圈代表硅 MOSFET 的功率損耗，淺藍(lán)色圓圈代表 IGBT 的功率損耗，綠色方塊代表 GaN，紅色三角形代表 SiC。圖 2 顯示了在 10 kHz 操作下的計(jì)算結(jié)果。

圖 2：總功率損耗與 VDS (on) /VCE (on) – 10 kHz

在 10kHz 開關(guān)頻率下，開關(guān)損耗很低，預(yù)計(jì)傳導(dǎo)損耗是功率損耗的主要來源。對于 IGBT，600-V、1.8-VV CE(sat)器件的最低功率損耗峰值為 15.7 W。為了降低功率損耗，MOSFET 從 600V、40mΩ 器件獲得了 8.1W。GaN 和 SiC 可以從 650-V、18-mΩ 器件和 700-V、19-mΩ 器件達(dá)到約 5W，如圖 2 所示。GaN 以 21.8 美元的價(jià)格實(shí)現(xiàn)了 5W 的最低功率損耗，或 IGBT 成本的 12 倍（本研究中考慮的所有價(jià)格都是一個(gè)單位的最低經(jīng)銷商價(jià)格）。?

“在 10 kHz 時(shí)，使用 IGBT，功率損耗只能降低到一定程度，除此之外，還需要 FET 器件，”Rai 說?！癕OSFET 提供了很好的價(jià)值，但 GaN 和 SiC 器件推動了性能范圍，而 GaN 器件實(shí)現(xiàn)了最低的損耗，但成本卻要高得多。”

圖 3：總功率損耗與 VDS (on) /VCE (on) ) – 50 kHz

在圖 3 中，顯示了 50 kHz 的結(jié)果。GaN 可以以 19.5 美元的價(jià)格從 650V、41mΩ 器件實(shí)現(xiàn) 10.4W 的最低功率損耗。此外，在此分析中，IGBT 是最經(jīng)濟(jì)的選擇，即使在 50 kHz 時(shí)，GaN 器件的功率損耗也最低，但價(jià)格昂貴。

Rai 指出，在 50 kHz 時(shí)，開關(guān)損耗大幅增加。IGBT 是最經(jīng)濟(jì)的選擇，但具有高損耗。GaN 器件的性能最低，但成本也最高。與 GaN 和硅 MOSFET 相比，碳化硅器件實(shí)現(xiàn)了高性能并提供了良好的價(jià)值。

圖 4：總功率損耗與 VDS (on) /VCE (on) – 100 kHz

在圖 4 中，顯示了 100 kHz 的結(jié)果。對于 IGBT，從 600-V、2.1-V VCE (sat)器件實(shí)現(xiàn)的最低功率損耗為 28.8 W。GaN FET 實(shí)現(xiàn)的最低功率損耗為 13.7 W，來自價(jià)格為 11 美元的 650-V、90-mΩ 器件，或者是類似功率損耗的 IGBT 成本的 6 倍。

在 100 kHz 運(yùn)行時(shí)，IGBT 仍然是最經(jīng)濟(jì)的選擇，但具有高損耗。GaN 器件以極低的價(jià)格實(shí)現(xiàn)最低的功率損耗，并為高頻操作提供了極具吸引力的價(jià)值。

圖 5：最低功耗結(jié)果匯總

在圖 5 中，顯示了我們觀察到的硅 IGBT、MOSFET、SiC 和 GaN 的最低功率損耗結(jié)果匯總。

與 GaN 相比，碳化硅器件的性價(jià)比優(yōu)勢減弱，因?yàn)殚_關(guān)頻率增加到 100 kHz 及以上。研究表明，器件功率損耗隨開關(guān)頻率顯著增加，必須有令人信服的理由將系統(tǒng)切換到更高的工作頻率。值得注意的是，IGBT 器件在 10 kHz 開關(guān)時(shí)的功率損耗與最佳 GaN 器件在 100 kHz 開關(guān)時(shí)的功率損耗相同，但 IGBT 的成本不到 GaN 器件的五分之一。

隨著不同材料和設(shè)備類型的性價(jià)比趨勢不斷發(fā)展，硬件工程師需要一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的功耗評估工具來考慮整個(gè)市場的所有類型的設(shè)備，以便做出最佳決策。

審核編輯 黃昊宇