新的寬帶隙半導體技術(shù)提高了功率轉(zhuǎn)換效率
[導讀]如果詢問任何功率電子器件設(shè)計師他們追求什么，轉(zhuǎn)換效率通常都會名列前茅。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。實際上有些應用受益匪淺，如電動車，它的單次充電行駛里程會有所提高，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)換效率提高了電動車的可行性
電動車是車輪上的數(shù)據(jù)中心，具有工業(yè)規(guī)模的電動機控制（圖1），它的可行性取決于牽引逆變器和充電電路的效率。效率每提高一個百分點都能促進散熱需求降低、重量減輕、單次充電行駛里程增加和成本降低，這構(gòu)成了一個良性循環(huán)。
電動車功率轉(zhuǎn)換中的半導體開關(guān)壓倒性地決定了損耗，而在牽引逆變器中，IGBT可能是個好選擇，盡管IGBT只能在低頻下實現(xiàn)高效開關(guān)。然而以前，這并不是一個大問題，因為交流電動機可以在10kHz或更低頻率的驅(qū)動下充分運行。不過，提高頻率能帶來一些好處，能讓電動機控制更加順暢，能實現(xiàn)更符合正弦波的驅(qū)動，從而降低鐵損和電動機磨損。接近恒定的飽和電壓可以讓IGBT保持低導電損耗，但是寬帶隙開關(guān)，尤其是碳化硅（SiC），異軍突起，其導通損耗極低，因而現(xiàn)具有強大的競爭力，還能隨意并聯(lián)，進一步降低損耗。FET和MOSFET等SiC器件還滿足雙向電流要求，因為在配置成開關(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€損耗不菲的并聯(lián)二極管才能實現(xiàn)此功能。
隨著功率要求的提高，電動車充電器和輔助直流轉(zhuǎn)換器也逐漸被納入能耗計算范疇中，而它們能直接從使用小磁性元件實現(xiàn)的更高頻率開關(guān)中獲益。一直以來，開關(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通電阻，現(xiàn)可實現(xiàn)有用的效率增益。
新的功率轉(zhuǎn)換拓撲結(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，存儲量增加了20倍。
在無橋圖騰柱PFC級（TPPFC）和諧振移相全橋與“LLC”直流轉(zhuǎn)換器等高效拓撲結(jié)構(gòu)的幫助下，數(shù)據(jù)中心的交直流轉(zhuǎn)換器現(xiàn)在基本都能達到“80+鈦金”標準，即在230V交流電和50%負載下，能效至少達到96%。這些電路傳統(tǒng)上采用硅MOSFET開關(guān)實現(xiàn)，現(xiàn)在則因采用寬帶隙器件而獲益，這些器件的導電損耗和動態(tài)損耗都較低。事實上，由于存在體二極管反向恢復損耗，在高頻和大功率下采用硅MOSFET實現(xiàn)TPPFC布置是不可行的。采用SiC或氮化鎵（GaN）則可以解決這個問題。
數(shù)據(jù)中心使用的配電方案也有所改進，以提升效率（圖2）。交直流轉(zhuǎn)換器帶來的“中間總線”用于在更高電壓（通常為385V直流電）下傳輸電力，然后電力會被隔離，并轉(zhuǎn)換為48V，與備用電池一起實現(xiàn)更多的本地配電，之后電力流經(jīng)隔離或非隔離的車載“負載點”轉(zhuǎn)換器，以進入最終轉(zhuǎn)換級。
【圖2：數(shù)據(jù)中心配電布置】
高效功率轉(zhuǎn)換拓撲結(jié)構(gòu)
現(xiàn)代高效轉(zhuǎn)換拓撲結(jié)構(gòu)都可以歸為衍生出“降壓”和“升壓”功能的兩個基本類別，在絕緣版本中則稱為“正激”和“反激”。它們都能在“硬”或“軟”（諧振）開關(guān)模式下運行，并具有至少一個開關(guān)和整流器，在極為負載的多電平電路中，每個拓撲結(jié)構(gòu)也可能有數(shù)十個開關(guān)和整流器。
采用具有較低導通電阻的開關(guān)并用同步整流器替代二極管就能盡可能降低導電損耗，通常用MOSFET實現(xiàn)。理論上，通過并聯(lián)零件可以任意降低導電損耗。電壓/電流疊加、二極管反向恢復能量和器件電容充電/放電造成的開關(guān)損耗則比較難以控制，并會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，我們的目標是大幅減小磁性元件的體積。對于部分“零壓開關(guān)”（ZVS）或“零電流開關(guān)”（ZCS）拓撲結(jié)構(gòu)而言，在諧振模式下運行是一種解決辦法，但是必須要小心確保在瞬態(tài)或過載條件下不會發(fā)生具有破壞性的高損耗“硬”開關(guān)。在這種情況下，寬帶隙器件可以憑借其無論如何都比硅低的動態(tài)損耗提供一些安全裕度。
實際上，部分轉(zhuǎn)換級必須采用“硬開關(guān)”，如上文提到的TTPFC，它在大功率和“連續(xù)導電”模式下運行，以將峰值電流和組件應力保持在合理范圍內(nèi)。此時，寬帶隙器件的價值無法估量。
高效拓撲結(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”這個名稱得自構(gòu)成諧振回路的一次電路中的兩個電感器和一個電容器。
【圖3：LLC轉(zhuǎn)行器略圖】
在變壓器T1中，L1是獨立的或受控的漏電感，第二個電感器是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，為回路提供方波驅(qū)動。在回路的諧振頻率下，阻抗極低，會有盡可能多的能量通過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較高，傳輸?shù)哪芰恳草^少。對于恒定的輸出負載，這意味著可以通過改變驅(qū)動頻率有效控制輸出電壓。實際上，設(shè)定的名義頻率會高于諧振頻率，這讓回路“電感十足”，以至于Q1和Q2都自然而然地出現(xiàn)了零壓開關(guān)，實現(xiàn)了低損耗。變壓器一次側(cè)和二次側(cè)電流呈正弦波，因此輸出二極管實現(xiàn)零電流開關(guān)。由于發(fā)生多重諧振，LLC的控制非常復雜，但是它可以在非常高的頻率下運行。
損耗描述
很難說給定拓撲結(jié)構(gòu)、頻率和負載范圍采用哪種開關(guān)技術(shù)最好，因而“品質(zhì)因數(shù)”（FOM）會很有用。其中一個是RDS(ON).A，器件導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電損耗的關(guān)系，即始終可以通過提高晶粒體積降低導通電阻，但是電容、開關(guān)損耗和成本也會隨之增加，而單晶圓的產(chǎn)量則會下降。性能表征RDS(ON).EOSS是另一個指標，結(jié)合了導電損耗和開關(guān)損耗，開關(guān)損耗是由器件輸出電容內(nèi)存儲的能量造成的，該指標對“硬”開關(guān)拓撲結(jié)構(gòu)十分重要。在Si-MOSFET中，EOSS可能很高并且可變，而在相同導通電阻和器件電壓級下，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)。另一個重要參數(shù)是在開關(guān)中任何體二極管效應的反向恢復能量，它在硬開關(guān)條件下會造成顯著耗損。SiC MOSFET的一些值很低，但是增益會被抵消，因為二極管前向壓降高，如果因“換向”而在開關(guān)“死區(qū)”時間內(nèi)導電，這會造成耗損增加。比較而言，SiC FET共源共柵結(jié)構(gòu)的二極管恢復能量更低，前向壓降也低得多。GaN器件沒有恢復效應，通過溝道反向?qū)щ姡窃趽Q向條件下壓降高，且壓降取決于柵極驅(qū)動電壓等級。
各種開關(guān)類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來描述，而一個在高頻軟開關(guān)拓撲結(jié)構(gòu)中表示性能的指標是性能表征RDS(ON).COSS(tr)，其中的tr表示“與時間相關(guān)”。
比較開關(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下它們的性能表征的比較結(jié)果。
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，不過在上述示例中，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，在所述等級下，導通電阻顯著降低，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的另一個優(yōu)勢是，與其他寬帶隙技術(shù)相比，它的柵極驅(qū)動很簡單。SiC MOSFET需要大約18V的柵極驅(qū)動才能實現(xiàn)全面增強，與絕對最大值非常接近，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，絕對最大值差不多低，因而必須小心驅(qū)動以免瞬態(tài)和短路造成電壓過應力，在存在高dV/d和di/dt波形時，電壓過應力非常危險。
在比較中，SiC FET可以使用標準硅MOSFET或IGBT柵極驅(qū)動在典型的0-12V電壓下驅(qū)動，且距離最大絕對值有很大的裕度。該閾值穩(wěn)定，表明沒有遲滯，且柵極電壓不會影響固有的SiC FET短路耐受額定值。
結(jié)論
寬帶隙半導體技術(shù)為實現(xiàn)更高效的功率轉(zhuǎn)換打開了大門。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。
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