【導(dǎo)讀】高壓硅二極管具有較低的正向傳導(dǎo)壓降，但由于其反向恢復(fù)行為，會(huì)在功率轉(zhuǎn)換器中產(chǎn)生顯著的動(dòng)態(tài)損耗。SiC 二極管表現(xiàn)出可忽略不計(jì)的反向恢復(fù)行為，但確實(shí)表現(xiàn)出比硅更高的體電容和更大的正向傳導(dǎo)壓降。由于 GaAs 技術(shù)能夠提供硅和 SiC 的有用特性，本文探討了一項(xiàng)比較 10kW、100kHz 相移全橋 (PSFB) 性能的練習(xí)。該應(yīng)用中 GaAs、SiC 和超快硅二極管的基準(zhǔn)測(cè)試結(jié)果表明，GaAs 二極管的整體效率與 SiC 相當(dāng)，但成本卻顯著降低。
高壓硅二極管具有較低的正向傳導(dǎo)壓降，但由于其反向恢復(fù)行為，會(huì)在功率轉(zhuǎn)換器中產(chǎn)生顯著的動(dòng)態(tài)損耗。SiC 二極管表現(xiàn)出可忽略不計(jì)的反向恢復(fù)行為，但確實(shí)表現(xiàn)出比硅更高的體電容和更大的正向傳導(dǎo)壓降。由于 GaAs 技術(shù)能夠提供硅和 SiC 的有用特性，本文探討了一項(xiàng)比較 10kW、100kHz 相移全橋 (PSFB) 性能的練習(xí)。該應(yīng)用中 GaAs、SiC 和超快硅二極管的基準(zhǔn)測(cè)試結(jié)果表明，GaAs 二極管的整體效率與 SiC 相當(dāng)，但成本卻顯著降低。
為什么選擇砷化鎵？
成本 - 用于 GaAs 二極管的晶圓的原材料成本及其固有的較低制造工藝成本代表著以低得多的價(jià)格實(shí)現(xiàn) SiC 性能的重要機(jī)會(huì)。封裝 GaAs 二極管的典型成本約為同類 SiC 器件的 50% 至 70%。
可用性——砷化鎵材料已廣泛應(yīng)用于射頻應(yīng)用，是世界上第二大使用的半導(dǎo)體材料。由于其廣泛使用，它可以從多個(gè)來(lái)源獲得，其制造工藝類似于硅。這些因素都支持該技術(shù)的低成本基礎(chǔ)。
軟切換還是硬切換？
雖然與主流硅相比，碳化硅的性能在二極管和晶體管開(kāi)關(guān)特性方面有了顯著改進(jìn)，但近年來(lái)的趨勢(shì)是使用軟開(kāi)關(guān)拓?fù)鋪?lái)在整個(gè)轉(zhuǎn)換器中提取水平的性能。這些軟開(kāi)關(guān)拓?fù)浞浅＿m合 GaAs 二極管，使設(shè)計(jì)人員能夠受益于比 SiC 更低的傳導(dǎo)損耗，而不會(huì)遭受普通硅會(huì)產(chǎn)生的額外動(dòng)態(tài)損耗。
圖 1：二極管基準(zhǔn)比較
對(duì)于給定的功率輸出，軟開(kāi)關(guān)拓?fù)渫ǔＴ诠β拾雽?dǎo)體中運(yùn)行更高的 RMS 電流，因?yàn)閺?qiáng)制零電壓轉(zhuǎn)換所需的循環(huán)諧振能量。GaAs等具有較低正向壓降的技術(shù)可以減少這種循環(huán)能量造成的損耗，并充分發(fā)揮開(kāi)關(guān)零電壓操作的優(yōu)勢(shì)。
二極管造成的功率損耗
“理想”二極管將在不產(chǎn)生任何損耗的情況下執(zhí)行其功能，但任何實(shí)際二極管（包括寬帶隙器件）都會(huì)偏離這種理想狀態(tài)，其現(xiàn)實(shí)世界行為的不同方面會(huì)導(dǎo)致功率損耗。在大多數(shù)轉(zhuǎn)換器中，次級(jí)側(cè)二極管造成的損耗可分為三個(gè)主要領(lǐng)域之一：
非零正向壓降會(huì)導(dǎo)致二極管傳導(dǎo)電流時(shí)產(chǎn)生傳導(dǎo)損耗。這種損耗機(jī)制與拓?fù)湎嚓P(guān)，但通常不是頻率的函數(shù)。
由于二極管體電容造成的損耗，電容越高，損耗越高。這是依賴于拓?fù)?頻率的，并且由此產(chǎn)生的損耗會(huì)施加在轉(zhuǎn)換器中的其他組件上。
由拓?fù)?頻率相關(guān)的反向恢復(fù)效應(yīng)引起的損耗。這些損耗是在轉(zhuǎn)換器中的二極管和其他組件中實(shí)現(xiàn)的。
上述損耗類型的相對(duì)水平取決于各個(gè)二極管的特性、拓?fù)溥x擇和工作頻率。正向傳導(dǎo)損耗相對(duì)容易計(jì)算，而二極管電容和 Trr 造成的損耗則更為復(fù)雜。
二極管行為比較
在基準(zhǔn)測(cè)試中對(duì)三種二極管進(jìn)行了比較，主要比較如圖 1 所示。
數(shù)據(jù)比較表明，從正向傳導(dǎo)性能的角度來(lái)看，硅和砷化鎵的性能都更好，特別是在高結(jié)溫下。從開(kāi)關(guān)角度來(lái)看，SiC 具有明顯更高的電容，但反向恢復(fù)時(shí)間基本為零。問(wèn)題是，對(duì)于我們的 10kW PSFB 應(yīng)用，這些二極管特性將如何影響整體效率？
二極管造成的 PSFB 損耗
圖 2 顯示了典型的 PSFB 拓?fù)洌渲卸O管在位置 D1 至 D4 處進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)試。
PSFB 通過(guò)以 50% 的占空比運(yùn)行 Q1/Q3 和 Q2/Q4 晶體管對(duì)來(lái)運(yùn)行，并通過(guò)控制其相對(duì)相位來(lái)控制功率流。此操作允許初級(jí)側(cè)器件 Q1-Q4 在較寬的負(fù)載條件范圍內(nèi)以零電壓開(kāi)關(guān)操作。
D1-D4 的組合電容添加到電源變壓器和 PCB 的分布電容上，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換期間 D1-D4 上產(chǎn)生諧振電壓。
圖 2：PSFB 拓?fù)?/p>
為了防止損壞 D1-D4，使用緩沖器將諧振電壓鉗位到可接受的水平。在 PSFB 中，有源緩沖器吸收的能量的量化是衡量動(dòng)態(tài)特性（電容和 Trr）影響的直接方法。整體轉(zhuǎn)換器效率與緩沖器耗散的綜合知識(shí)允許在此應(yīng)用中準(zhǔn)確地對(duì)二極管行為進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)試。
基準(zhǔn)測(cè)試結(jié)果
原型轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)用于 500V/30A/10kW 的輸出曲線，圖 3 顯示了轉(zhuǎn)換器在 600V 輸入下以 330V/20A 輸出運(yùn)行的示例圖。示波器圖中的藍(lán)色跡線 (C3) 顯示有源緩沖器上測(cè)得的電壓，并且由于鉗位功率是鉗位電壓的直接函數(shù)，因此有源緩沖器設(shè)計(jì)為以其自己的控制環(huán)路運(yùn)行，以允許用戶將鉗位電壓設(shè)置在固定水平。在圖 3 的示例圖中，電壓為 800V。
利用圖 2 中詳述的設(shè)計(jì)參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)如圖 4 所示的輸出曲線，其中彩色區(qū)域顯示主 MOSFET 出現(xiàn) ZVS 的區(qū)域，而輪廓?jiǎng)t顯示所需的相移?；鶞?zhǔn)測(cè)試使用固定的 600Vdc 輸入和輸出上使用的恒流負(fù)載進(jìn)行相移，然后更改設(shè)置輸出電壓。針對(duì) 10A、15A 和 20A 的輸出電流，測(cè)量了效率和緩沖器功耗與輸出電壓的函數(shù)關(guān)系。
從圖 5 的結(jié)果可以得出幾個(gè)結(jié)論：
基于 GaAs 和 SiC 的解決方案的整體轉(zhuǎn)換器效率幾乎相同，尤其是在較高負(fù)載電流下。在較高的輸出電流下，GaAs 有限 Trr 導(dǎo)致的稍高的緩沖器損耗被較低的傳導(dǎo)損耗所抵消，從而獲得相同的整體效率。
由于緩沖器耗散水平較高（即與 Trr 相關(guān)的顯著損耗），超快硅效率在此應(yīng)用中非常差。由于測(cè)量的緩沖器功率水平較高，超快硅測(cè)試僅限于低功率。
GaAs 和 SiC 緩沖器功率表現(xiàn)出類似的行為，表明 GaAs 有限 Trr 造成的額外損耗在很大程度上被 SiC 器件較高的本機(jī)電容所抵消。
圖 3：PSFB 轉(zhuǎn)換器工作波形（C1/C2 是 Q1/Q3 和 Q2/Q4 對(duì)產(chǎn)生的電壓，C4 是輸出整流器 D1-D4 兩端的電壓，C3 是 L2 中的電流）
圖 4：帶有 ZVS 區(qū)域和恒定相移輪廓的 PSFB 輸出 VI 圖
根據(jù)這項(xiàng)實(shí)證工作，我們開(kāi)發(fā)了一個(gè)分析模型來(lái)對(duì)緩沖器損耗進(jìn)行建模，作為二極管電容和 Trr 的函數(shù)。分析表明，在 Trr 期間，額外的能量被加載到諧振電路中，從而導(dǎo)致額外的鉗位耗散。因此，對(duì)于給定的工作點(diǎn)，緩沖器功率是二極管電容和 Trr 的函數(shù)。在本文詳細(xì)介紹的 PSFB 的情況下，對(duì)于 500V/20A 輸出的工作點(diǎn)，分析模型可用于預(yù)測(cè)作為二極管電容和 Trr 函數(shù)的緩沖器損耗。這樣就可以比較三種二極管類型的行為，如圖 6 所示。
圖 6 顯示，對(duì)于 GaAs 和 SiC，緩沖器功率大致相同，其優(yōu)點(diǎn)是 SiC 中的零 Trr 被其較高的本機(jī)電容所抵消。就超快硅而言，低二極管電容的優(yōu)勢(shì)被長(zhǎng)反向恢復(fù)帶來(lái)的高得多的功率水平所淹沒(méi)。GaAs 的低固有電容和 Trr 提供了類似于 SiC 的動(dòng)態(tài)性能，并具有減少正向傳導(dǎo)損耗的額外優(yōu)勢(shì)。
圖 5：GaAs、SiC 和超快硅的 PSFB 效率（左）和緩沖器耗散（右）基準(zhǔn)測(cè)試
圖 6：PSFB 在 500V/20A 輸出下運(yùn)行時(shí)，緩沖器功率與二極管 Trr 和電容的函數(shù)關(guān)系
在原型 PSFB 中，變壓器、輸出電感器和 PCB 布局給出了 300pF 的總負(fù)載電容。圖 6 中顯示的數(shù)據(jù)包括所有情況下的基線電容，總二極管電容基于四個(gè)二極管的貢獻(xiàn)。
結(jié)論
在考慮整體轉(zhuǎn)換器效率時(shí)，了解所有主要損耗機(jī)制（包括由二極管動(dòng)態(tài)特性引起的損耗機(jī)制）非常重要。事實(shí)證明，GaAs 二極管中的低正向壓降、低電容和低/穩(wěn)定 Trr 的組合為相移全橋等軟開(kāi)關(guān)應(yīng)用提供了出色的特性組合。高增長(zhǎng)應(yīng)用（例如電動(dòng)汽車充電）中的高性能電力電子器件可以從 GaAs 二極管提供的系統(tǒng)級(jí)成本降低機(jī)會(huì)中獲益匪淺。詳細(xì)了解實(shí)際應(yīng)用中二極管引起的正向傳導(dǎo)行為和動(dòng)態(tài)損耗，可為設(shè)計(jì)人員提供優(yōu)化性能和成本的工具。
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