【導(dǎo)讀】過去30 年，基于硅的 BJT在大多數(shù)電源設(shè)計中被MOSFET和IGBT等CMOS替代產(chǎn)品逐漸取代，但是今天，碳化硅賦予 BJT 新的生命，以更高的效率特別是能夠使用更便宜的元件，收復(fù)失地，重新成為受歡迎的替代產(chǎn)品。SiC BJT真的這么厲害嗎？讓我們用事實和實驗數(shù)據(jù)來說話。
碳化硅布局以同等或更低的損耗實現(xiàn)更高的開關(guān)頻率，并且在相同形狀因數(shù)的情況下可產(chǎn)生更高的輸出功率。 運用了 SiC BJT 的設(shè)計也將使用一個更小的電感，并且使成本顯著降低。 雖然運用碳化硅工藝生產(chǎn)的 BJT 相較于僅基于硅的 BJT 會更昂貴，但是使用 SiC 技術(shù)的優(yōu)勢在于可在其它方面節(jié)省設(shè)計成本，從而實現(xiàn)更低的整體成本。 本文介紹的升壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計用于光伏轉(zhuǎn)換階段，其充分利用 SiC BJT 的優(yōu)勢，在顯著降低系統(tǒng)成本的同時可實現(xiàn)良好的效率。
碳化硅 BJT的優(yōu)勢
基于硅的 BJT 在高壓應(yīng)用中失寵有幾方面原因。 首先，Si BJT 中的低電流增益會形成高驅(qū)動損耗，并且隨著額定電流的增加，損耗變得更糟。 雙極運行也會導(dǎo)致更高的開關(guān)損耗，并且在器件內(nèi)產(chǎn)生高動態(tài)電阻。 可靠性也是一個問題。 在正向偏壓模式下運行器件，可能會在器件中形成具有高電流集中的局部過溫，這可能導(dǎo)致器件發(fā)生故障。 此外，電感負(fù)載切換過程中出現(xiàn)的電壓和電流應(yīng)力，可能會導(dǎo)致電場應(yīng)力超出漂移區(qū)，從而導(dǎo)致反向偏壓擊穿。 這會嚴(yán)格限制反向安全工作區(qū) (RSOA)，意味著基于硅的 BJT 將不具有短路能力。
在運用碳化硅的新型 BJT 中不存在同樣的問題。 與硅相比，碳化硅支持的能帶間隙是其三倍，可產(chǎn)生更大的電流增益，以及更低的驅(qū)動損耗，因此 BJT 的效率更高。 碳化硅的擊穿電場強(qiáng)度是硅的 10 倍，因此器件不太容易受到熱擊穿影響，并且要可靠得多。 碳化硅在更高的溫度下表現(xiàn)更出色，因此應(yīng)用范圍更為廣泛，甚至包括汽車環(huán)境。
從成本角度而言，碳化硅的高開關(guān)頻率在硬件級可實現(xiàn)成本節(jié)約。 雖然相較于基于純硅，基于碳化硅的 BJT 更昂貴，但 SiC 工藝的高功率密度將會轉(zhuǎn)換為更高的芯片利用率，并且支持使用更小的散熱器和更小的過濾器元件。 從長遠(yuǎn)來看，使用更昂貴的碳化硅 BJT 實際上更省錢，因為整體系統(tǒng)的生產(chǎn)成本更低。 我們設(shè)計的升壓轉(zhuǎn)換器就是一個例子。 它設(shè)計用于額定功率為 17 千瓦的光伏系統(tǒng)中，具有 600 伏的輸出電壓，輸入范圍為 400 到 530 V。
傳統(tǒng)BJT和碳化硅 BJT管理效率對比
BJT 的驅(qū)動器電路能夠減少損耗和提高系統(tǒng)效率。 驅(qū)動器做了兩件事： 對器件電容迅速充放電，實現(xiàn)快速開關(guān)；確保連續(xù)提供基極電流，使晶體管在導(dǎo)通狀態(tài)中保持飽和狀態(tài)。
為了支持動態(tài)操作，15V 的驅(qū)動器電源電壓引起更快的瞬態(tài)變化，并提高性能。 SiC BJT 的閾值電壓約為 3V。通常情況下無需使用負(fù)極驅(qū)動電壓或米勒鉗位來提高抗擾度。
SiC BJT 是一個“常關(guān)型”器件，并且僅在持續(xù)提供基極電流時激活。 選擇靜態(tài)操作的基極電流值會涉及到傳導(dǎo)損耗和驅(qū)動損耗間的折衷平衡。 盡管有較高的增益值（因此會形成較低的基極電流），驅(qū)動損耗對 SiC BJT 仍非常重要，由于 SiC 布局具有較寬能帶間隙，因此必須在基極和發(fā)射極間提供一個更高的正向電壓。 將基極電流增加一倍，從 0.5A 增加到 1A，僅降低正向等效電阻 10％，因此需要降低傳導(dǎo)損耗，同時使飽和度轉(zhuǎn)變?yōu)檩^高水平。 這是我們設(shè)計升壓轉(zhuǎn)換器的一個重要考慮因素，因為它會在更高的電流紋波下運行。 1A 的基極電流會使開關(guān)能力增加至 40A
靜態(tài)驅(qū)動損耗是選定驅(qū)動電壓和輸入電壓的一個函數(shù)（間接表示占空比值）。 實現(xiàn)高開關(guān)速度需要 15V 的驅(qū)動電壓，產(chǎn)生約 8W 的損耗，主要集中在基極電阻上。 為了彌補(bǔ)這方面的損耗，對于動態(tài)和靜態(tài)操作，我們通常使用兩個單獨的電源電壓。 圖 1 提供了示意圖。高壓驅(qū)動器的控制信號會“中斷”，因此它僅在開關(guān)瞬態(tài)期間使能。 靜態(tài)驅(qū)動階段使用較低電壓，從而可以降低靜態(tài)損耗，并在整個導(dǎo)通期間保持激活狀態(tài)。
圖 1.使用兩個電源電壓降低損耗
減小濾波器的尺寸
在更高的開關(guān)頻率下運行，可降低無源元件的成本。 為了進(jìn)一步提高功率密度，我們著眼于改善濾波器電感的方法。 在評估了各種核心材料的能力后，我們選擇了一種使用 Vitroperm 500 F（一種薄夾層式納米晶體材料）制成的新型磁芯材料。 該材料產(chǎn)生的損耗低，且在高頻率下運轉(zhuǎn)良好。 此外也可在高飽和磁通值下運行，這意味著該材料比類似的鐵氧體磁芯（圖 2 右側(cè)）要小得多。 使用 Virtoperm 磁芯構(gòu)成的濾波電感器，約為參照系統(tǒng)的四分之一大小。
圖 2 顯示了在最大電流紋波（40％）下對于不同材料將電感器尺寸作為開關(guān)頻率函數(shù)的因素。 在此，我們假設(shè)電感量近似為電感值，而這又取決于峰值磁通密度和開關(guān)頻率。 在達(dá)到指定的臨界點（在 100mW/cm 時定義的特定損耗3）后，需要降低峰值磁通量以避免過熱，從而在該點之外運行將不會導(dǎo)致其大小顯著減小。 頻率一定時，Vitroperm500F 可在所有材料中實現(xiàn)最佳性能。
圖 2. 用作頻率函數(shù)的不同芯材的電感器大小，以及與 Vitroperm 和鐵氧體磁芯的大小比較
圖 3 顯示了測得的效率級，包括采用兩階段解決方案的驅(qū)動損耗。 根據(jù)計算得出的損耗分布如下圖曲線所示。 該系統(tǒng)可以在沒有達(dá)到臨界溫度或飽和度的情況下達(dá)到高電流負(fù)載。 該兩階段驅(qū)動解決方案會將驅(qū)動損耗降低至輸入功率的 0.02％ 左右。 整體損耗更低使得所需的散熱片尺寸減小，且更高的開關(guān)頻率允許使用更小的過濾器元件。 所有這些特性最終有助于降低系統(tǒng)成本。
圖 3. 48 kHz 時的效率和驅(qū)動損耗，以及原型圖
在過去 30 多年中，諸如 MOSFET 和 IGBT 之類的 CMOS 替代產(chǎn)品在大多數(shù)電源設(shè)計中逐漸取代基于硅的 BJT，但是今天，基于碳化硅的新技術(shù)為 BJT 賦予了新的意義，特別是在高壓應(yīng)用中。 碳化硅賦予 了BJT 新的生命，使 SiC BJT 成為極具吸引力的替代產(chǎn)品。與基于硅的前代產(chǎn)品不同，碳化硅 BJT 可實現(xiàn)低傳導(dǎo)損耗、高擊穿場強(qiáng)度，并且可在更廣泛的溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定運行。 在驅(qū)動器電路中使用兩個電源電壓，可降低驅(qū)動損耗，實現(xiàn)良好效率。 更高的開關(guān)頻率允許使用更小更便宜的電感器，從而在系統(tǒng)級實現(xiàn)顯著的成本節(jié)約。 高壓應(yīng)用（如光伏逆變器）將受益于高功率密度、更低系統(tǒng)成本和簡易的設(shè)計。
