【導(dǎo)讀】寬帶隙半導(dǎo)體是高效功率轉(zhuǎn)換的助力。有多種器件可供人們選用，包括混合了硅和SiC技術(shù)的SiC FET。本文探討了這種器件的特征，并將它與其他方法進(jìn)行了對(duì)比。
高效是所有功率轉(zhuǎn)換的共同目標(biāo)，高效能夠節(jié)省成本和電力，減少環(huán)境影響，讓器件更小更輕，打造更可靠的設(shè)備和更好的功能。對(duì)于最新的和新興的應(yīng)用更是如此，例如，據(jù)說服務(wù)器農(nóng)場的電子產(chǎn)品散熱和空調(diào)消耗了全球1%以上的電力。在此應(yīng)用中，在數(shù)百A電流下，刀片服務(wù)器的終端電壓可能不到1V，這可能會(huì)讓互連電阻和半導(dǎo)體內(nèi)的損耗更大。
數(shù)據(jù)中心使用配電方案盡量提高效率
系統(tǒng)架構(gòu)師提高效率的努力沒有白費(fèi)，從2010年到2018年，雖然網(wǎng)絡(luò)流量增長了10倍，數(shù)據(jù)中心存儲(chǔ)量擴(kuò)大了20倍，但是服務(wù)器農(nóng)場同期消耗的能量僅增長了6%左右。這是從交流電源降至負(fù)載電壓的轉(zhuǎn)換過程中的中間總線電路的功勞，其“電流”趨向于大約385V直流電的內(nèi)部總線，來源自交直流功率因數(shù)校正級(jí)，然后進(jìn)行降頻變換并隔離，直至48V總線和備用電池，再經(jīng)過隔離或非隔離的“荷載點(diǎn)”直流轉(zhuǎn)換器（圖1）。
圖1：典型的現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心電力布置
在“80+ 鈦”等標(biāo)準(zhǔn)的驅(qū)策下，各個(gè)功率轉(zhuǎn)換級(jí)的效率也有了顯著提高，該標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)是在50%負(fù)載和230V交流電輸入下，將效率提升到96%。新穎的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也為此提供了支持，如“無橋圖騰柱PFC”級(jí)和諧振直流轉(zhuǎn)換器，如移相全橋和“LLC”轉(zhuǎn)換器，不過，半導(dǎo)體技術(shù)也取得了發(fā)展，尤其是在采用了碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）制成的寬帶隙開關(guān)后。
電動(dòng)車促進(jìn)了效率提高
可以說，現(xiàn)代電動(dòng)車就是一個(gè)移動(dòng)數(shù)據(jù)中心，內(nèi)置的大規(guī)模電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制部件（圖2）為其提供了大量支持。由此可見，功率轉(zhuǎn)換和電機(jī)控制效率是這種交通工具是否具有內(nèi)在可行性的關(guān)鍵，而效率提高會(huì)帶來更小更輕的轉(zhuǎn)換器與能以更低成本行駛更長里程的電池之間的良性循環(huán)。主流鋰離子電池的電壓在弱混下為48V，在強(qiáng)混版本下為400-800V，而且在所有情況下都需要牽引逆變器，且通常為雙向逆變器，并采用各種直流轉(zhuǎn)換器為附屬服務(wù)設(shè)備供電。在大部分情況下都需要車載交直流充電器，通常也是雙向的，可讓能量返回電網(wǎng)，獲取現(xiàn)金。寬帶隙半導(dǎo)體再次因其低損耗而被采用，在像開關(guān)或同步整流器一樣由控制單元進(jìn)行非此即彼的動(dòng)態(tài)配置時(shí)，它可促進(jìn)正向和反向能量流動(dòng)。
圖2：典型的電動(dòng)車功率轉(zhuǎn)換元件
讓牽引逆變器從采用IGBT技術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)椴捎肧iC或GaN的過程存在一些阻力，因?yàn)閷拵镀骷母哳l能力在低于20kHz的典型開關(guān)頻率下并不能體現(xiàn)出明顯的價(jià)值。在這些開關(guān)頻率下，IGBT能夠有效工作，它具有低成本和超長的耐用性。不過，現(xiàn)在，使用SiC可以顯著降低開態(tài)損耗和其余開關(guān)損耗，因此該技術(shù)會(huì)被越來越廣泛地采用。IGBT還需要并聯(lián)二極管才能實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)和雙向能力，而SiC有集成二極管，不過不一定能有高性能。
高效的功率轉(zhuǎn)換拓?fù)?/div>
所有功率轉(zhuǎn)換器都可以分成兩個(gè)基礎(chǔ)類別：“降壓”和“升壓”，也就是隔離形式下的“正向”和“反激”轉(zhuǎn)換器。在所有情況下，都至少有一個(gè)開關(guān)和一個(gè)二極管，而在復(fù)雜的多電平轉(zhuǎn)換下，可能有數(shù)十個(gè)半導(dǎo)體。為了實(shí)現(xiàn)高效率，二極管被“同步整流器”替代，這是一個(gè)通過柵極的主動(dòng)控制效仿二極管的開關(guān)。現(xiàn)在，半導(dǎo)體壓降及其帶來的導(dǎo)電損耗僅受器件導(dǎo)通電阻影響，可以通過選擇經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的最佳器件來盡量減小該壓降和損耗。
開關(guān)損耗比較難以控制，更快的邊緣通常會(huì)導(dǎo)致更小的電壓和電流重疊，并伴隨瞬態(tài)損耗，但是損耗提高與開關(guān)頻率成正比，因此，如果突破SiC或GaN的極限，以減小磁性元件的體積、成本和重量，開關(guān)損耗仍然不小。為此，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)偏好采用“軟”開關(guān)或諧振開關(guān)，在這種情況下，電流升高會(huì)延遲，直至電壓在打開時(shí)降至零（零壓開關(guān)，也就是ZVS），或類似地，在關(guān)閉時(shí)實(shí)現(xiàn)零電流開關(guān)（ZCS）。確保實(shí)現(xiàn)ZVS和ZCS的控制過程可能會(huì)很復(fù)雜，具體取決于運(yùn)行條件，而專為諧振運(yùn)行設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)換器可能在過載或瞬態(tài)輸入條件下必須采用損耗高的“硬”開關(guān)。在實(shí)踐中，圖騰柱等部分轉(zhuǎn)換級(jí)必須在采用硬開關(guān)的“連續(xù)導(dǎo)通模式”（CCM）和高功率下運(yùn)行，因?yàn)槠渌Ｊ?，即不連續(xù)或臨界導(dǎo)電模式，會(huì)讓開關(guān)和磁性元件中產(chǎn)生不可接受的高峰值和RMS電流。
高效拓?fù)涫纠?mdash;—LLC轉(zhuǎn)換器
為了說明實(shí)現(xiàn)高效率的設(shè)計(jì)技術(shù)，我們可以看看LLC轉(zhuǎn)換器，它之所以這樣命名是因?yàn)橐淮坞娐酚砂粋€(gè)電容器和兩個(gè)感應(yīng)器的諧振電路組成，其中一個(gè)感應(yīng)器是變壓器的一次繞組（圖3）。
圖3：LLC轉(zhuǎn)換器簡圖
Q1和Q2這兩個(gè)開關(guān)的運(yùn)行類似于“降壓”轉(zhuǎn)換器，但是可以用死區(qū)時(shí)間受控且占空比近50%的恒定反相信號(hào)輕松驅(qū)動(dòng)。這造成了對(duì)由L1和T1一次電路構(gòu)成的諧振回路的方波驅(qū)動(dòng)。簡而言之，當(dāng)方波處于回路的諧振頻率時(shí)，阻抗最小，輸出電壓最大。當(dāng)方波頻率大于或小于諧振頻率時(shí)，阻抗上升，輸出下降。因此，通過改變頻率，可以調(diào)整輸出電壓。在實(shí)踐中，在正常條件下，運(yùn)行頻率會(huì)被設(shè)置為大于諧振頻率，這樣，回路“看起來”有電感，而且Q1和Q2會(huì)自然地實(shí)現(xiàn)零壓開關(guān)，在輸出二極管中也會(huì)自然而然地實(shí)現(xiàn)零電流開關(guān)?？刂七^程很復(fù)雜，會(huì)發(fā)生多種諧振，并受負(fù)載值的影響。
開關(guān)寄生定義了高效拓?fù)渲械男Ч?/div>
LLC等電路的高效諧振操作受到所選半導(dǎo)體及其特征的影響。在開關(guān)前必須釋放輸出電容COSS和存儲(chǔ)的能量EOSS，以硅MOSFET為例，在硅MOSFET中，這兩個(gè)值很高且可變。COSS的充電和放電操作本身也會(huì)產(chǎn)生損耗。SiC MOSFET的這兩個(gè)值通常較低，但無論是硅MOSFET還是SiC MOSFET，在制造過程中，MOSFET都必須在導(dǎo)通電阻與EOSS之間進(jìn)行權(quán)衡，所以RDS(ON)·EOSS是一個(gè)可用于比較的有用性能表征。另一個(gè)有用的性能表征是RDS(ON)·A，它是導(dǎo)通電阻和晶粒面積的乘積，這二者需要彼此折中，晶粒越小則每個(gè)晶圓的產(chǎn)量越高，越具有成本效益，但是溝道面積越小，導(dǎo)通電阻越高。
反向?qū)щ娞卣饕埠苤匾?，?ldquo;死區(qū)”時(shí)間的反向?qū)щ娺^程中，SiC MOSFET在體二極管上有很高的正向壓降，從而造成了導(dǎo)電損耗，而該壓降高于舊的Si-MOSFET技術(shù)的壓降。SiC MOSFET也有反向恢復(fù)能量，不過要比典型的Si-MOSFET好得多。GaN HEMT單元的反向恢復(fù)值十分低，因?yàn)樗鼈冎煌ㄟ^溝道反向?qū)щ?，但是如果采用?fù)關(guān)態(tài)柵極驅(qū)動(dòng)電壓，則壓降會(huì)高于SiC MOSFET，該壓降會(huì)計(jì)入有效的總壓降中。雖然增強(qiáng)型GaN HEMT單元名義上關(guān)態(tài)柵極電壓為零，但是通常建議采用此負(fù)驅(qū)動(dòng)以避免虛假打開和低閾值電壓。源極連接和柵極驅(qū)動(dòng)回路的常見電感通常是瞬態(tài)電壓和高漏極di/dt的成因，后者可造成一定影響。在描述各種開關(guān)類型的溝道和反向?qū)щ姄p耗的影響時(shí)，性能表征RDS(ON)·Qrr十分有用。
比較開關(guān)技術(shù)選擇
表1中提供了在相同器件電壓和漏極電流等級(jí)下，兩種硅超結(jié)MOSFET、SiC-MOSFET、GaN HEMT單元和我們現(xiàn)在可以討論的替代性SiC FET的能夠影響效率的器件特征和性能表征的摘要。
表1：開關(guān)特征比較——650V/20A級(jí)
該表清楚地表明了相似等級(jí)的SiC MOSFET、GaN與硅超結(jié)MOSFET相比的動(dòng)態(tài)特征的優(yōu)點(diǎn)，雖然導(dǎo)電損耗類似，但是前兩者到殼的熱阻和雪崩能量額定值Eas通常較差。然而，該表也將SiC FET作為一個(gè)替代產(chǎn)品列了出來。SiC FET是SiC JFET和硅MOSFET的共源共柵結(jié)構(gòu)，其導(dǎo)通電阻要低得多，且由于通常采用銀燒結(jié)作為晶粒連接方式，其到殼的熱阻比其他器件要好很多。SiC FET的動(dòng)態(tài)性能表征FOM與其他技術(shù)一樣出色，甚至好得多。
SiC FET的一大實(shí)用優(yōu)勢是其柵極驅(qū)動(dòng)比SiC MOSFET和GaN單元簡單。SiC MOSFET必須在柵極驅(qū)動(dòng)至18V左右才能實(shí)現(xiàn)全面增強(qiáng)，該值非常接近所示器件的絕對(duì)最大值23V。該柵極驅(qū)動(dòng)電壓可變，且體現(xiàn)了一定的遲滯性。E-GaN單元的閾值電壓非常低，絕對(duì)最大值僅有7V左右，所以必須注意防止柵極電壓瞬變或過沖帶來的壓力。從比較中可以看出，SiC FET具有可靠的柵極，且閾值兼容Si-MOSFET，甚至是IGBT，因而可以在0-12V下安全驅(qū)動(dòng)，且所述器件的絕對(duì)最大值為距離該驅(qū)動(dòng)值很遠(yuǎn)的+/-25V。如果說應(yīng)用SiC FET會(huì)產(chǎn)生任何問題，那就是它非常快，有EMI、過沖和振鈴風(fēng)險(xiǎn)。Si-MOSFET柵極中的串聯(lián)電阻并不是控制這些風(fēng)險(xiǎn)的好方法，因?yàn)镾iC JFET柵極在共源共柵結(jié)構(gòu)中是隔離的。然而，事實(shí)表明，較小的RC緩沖電路是有效的解決方案，能很好地在EMI控制與盡量維持低損耗之間進(jìn)行折中。在有大寄生電感的電路中關(guān)閉大電流時(shí)，尤其如此。它還簡化了快速開關(guān)器件的并聯(lián)運(yùn)行。
您可以選擇在功率轉(zhuǎn)換器中使用寬帶隙器件來實(shí)現(xiàn)極高的效率，而過去，該應(yīng)用在很大程度上影響了使用哪個(gè)器件的決定。在所有常用拓?fù)渲?，使用UnitedSiC制造的SiC FET都能實(shí)現(xiàn)有用的性能提升。
免責(zé)聲明：本文為轉(zhuǎn)載文章，轉(zhuǎn)載此文目的在于傳遞更多信息，版權(quán)歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權(quán)問題，請(qǐng)聯(lián)系小編進(jìn)行處理。
推薦閱讀：
特別推薦
- 隔離飛電容多電平變換器的硬件設(shè)計(jì)
- 艾睿電子助力SAVART Motors擴(kuò)大其在印尼的電動(dòng)車制造規(guī)模
- 面向車載應(yīng)用的 DC/DC 電源
- 村田開發(fā)了村田首款 “HCR/XRCGE_M_F系列”汽車用晶體諧振器
- Vishay 新款150 V MOSFET具備業(yè)界領(lǐng)先的功率損耗性能
- 瑞薩推出第二代面向服務(wù)器的DDR5 MRDIMM 完整內(nèi)存接口芯片組解決方案
- 長光辰芯發(fā)布高速背照式全局快門CMOS圖像傳感器——GSPRINT5514BSI
技術(shù)文章更多>>
- 意法半導(dǎo)體披露 2027-2028 年財(cái)務(wù)模型及2030年目標(biāo)實(shí)現(xiàn)路徑
- 第104屆中國電子展圓滿收官！盛況空前，煥發(fā)電子行業(yè)新活力新生態(tài)！
- 用于極端 PCB 熱管理的埋嵌銅塊
- 射頻全差分放大器（FDA）如何增強(qiáng)測試系統(tǒng)？射頻采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）來幫忙！
- 功率器件熱設(shè)計(jì)基礎(chǔ)（三）——功率半導(dǎo)體殼溫和散熱器溫度定義和測試方法
技術(shù)白皮書下載更多>>
- 車規(guī)與基于V2X的車輛協(xié)同主動(dòng)避撞技術(shù)展望
- 數(shù)字隔離助力新能源汽車安全隔離的新挑戰(zhàn)
- 汽車模塊拋負(fù)載的解決方案
- 車用連接器的安全創(chuàng)新應(yīng)用
- Melexis Actuators Business Unit
- Position / Current Sensors - Triaxis Hall
熱門搜索
醫(yī)療電子
醫(yī)用成像
移動(dòng)電源
音頻IC
音頻SoC
音頻變壓器
引線電感
語音控制
元件符號(hào)
元器件選型
云電視
云計(jì)算
云母電容
真空三極管
振蕩器
振蕩線圈
振動(dòng)器
振動(dòng)設(shè)備
震動(dòng)馬達(dá)
整流變壓器
整流二極管
整流濾波
直流電機(jī)
智能抄表
智能電表
智能電網(wǎng)
智能家居
智能交通
智能手機(jī)
中電華星
