不久前，全球能源需求預(yù)計(jì)將繼續(xù)呈指數(shù)增長(zhǎng)，但 2020 年的健康危機(jī)導(dǎo)致需求下降，一些主要經(jīng)濟(jì)體在每周的某些時(shí)段內(nèi)需求下降了 25% 以上。然而，預(yù)計(jì)主要由中國(guó)和印度經(jīng)濟(jì)推動(dòng)的全球反彈將刺激兩位數(shù)的 GDP 增長(zhǎng)。

與此同時(shí)，聯(lián)合國(guó)制定了普遍獲得負(fù)擔(dān)得起的能源和擴(kuò)大基礎(chǔ)設(shè)施的目標(biāo)。這種增加能源消耗和發(fā)電的壓力可以被視為減少 CO 2排放的障礙，因此聯(lián)合國(guó)的目標(biāo)還包括將全球能源效率的提高速度提高一倍。工程師們可能想知道這在真正的科學(xué)術(shù)語(yǔ)中意味著什么。它設(shè)定了一個(gè)基線要求，即在從公用事業(yè)規(guī)模到負(fù)載點(diǎn)以及從工業(yè)到電信和家庭的所有應(yīng)用領(lǐng)域，不斷做得更好并最大限度地減少電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中的損耗。

功率轉(zhuǎn)換器中使用的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)技術(shù)是改進(jìn)的關(guān)鍵，而使用碳化硅 （SiC） 和氮化鎵 （GaN） 的新型寬帶隙（WBG） 類型有望取得重大進(jìn)展。讓我們?cè)敿?xì)研究一下這些優(yōu)勢(shì)。

電源轉(zhuǎn)換的挑戰(zhàn)

工程師的術(shù)語(yǔ)也可能有點(diǎn)不精確：功率沒(méi)有轉(zhuǎn)換。理想情況下，在 AC/DC、DC/DC或 DC/AC 系統(tǒng)中輸入和輸出是相同的。但是在這個(gè)過(guò)程中不可避免地會(huì)經(jīng)歷一些損失，這是我們盡量減少的。出于安全或功能原因，通常需要電壓轉(zhuǎn)換以及調(diào)節(jié)和電流隔離，并且整個(gè)過(guò)程使用開(kāi)關(guān)模式技術(shù)以獲得最佳效率。

開(kāi)關(guān)模式下的開(kāi)關(guān)是晶體管，最初是雙極結(jié)型，但現(xiàn)在最常見(jiàn)的是金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 （MOSFET） 或絕緣柵雙極晶體管 （IGBT），用于更高的電壓和功率水平。我們寄希望于的 WBG 器件通常是 SiC MOSFET，類似于硅類型和 GaN 高電子遷移率晶體管 （HEMT） 單元，它們更類似于制造的結(jié)柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管 （JFET）在增強(qiáng)模式下，它們通常以零柵極電壓關(guān)閉。稍后我們將更詳細(xì)地研究這兩種類型。兩者都比同類硅 MOSFET 具有更低的導(dǎo)通電阻和開(kāi)關(guān)損耗，但前提是它們被最佳驅(qū)動(dòng)，這是它們使用中的挑戰(zhàn)之一?？梢允褂迷S多不同的基本拓?fù)鋪?lái)設(shè)計(jì)電源轉(zhuǎn)換器，選擇最好的可能是一個(gè)決定成敗的決定。這取決于您的優(yōu)先級(jí)，但如果這是效率，那么諧振拓?fù)渫ǔＪ抢硐氲?。不過(guò)，硬開(kāi)關(guān)、非諧振拓?fù)湟灿衅湟幌?，而且有時(shí)是唯一的選擇，例如圖騰柱功率因數(shù)校正 （PFC） 級(jí)。但在這些情況下，使用 WBG 半導(dǎo)體仍然可以產(chǎn)生良好的效率。

無(wú)論選擇哪種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和半導(dǎo)體技術(shù)，我們將損耗降至最低的目標(biāo)都集中在器件導(dǎo)通電阻和開(kāi)關(guān)或動(dòng)態(tài)損耗上。無(wú)源元件總會(huì)有損耗，但與開(kāi)關(guān)損耗相比，這些通常在噪聲中。也存在一些互動(dòng)。例如，GaN 可以實(shí)現(xiàn)非常高頻的操作，其中磁性更小，銅更少，從而降低了歐姆損耗。此外，還可以選擇一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通常是多相方法，其中輸入和/或輸出紋波電流可以被布置為抵消，從而減少電容器等效串聯(lián)電阻 （ESR） 元件中的損耗。

選擇很簡(jiǎn)單：為更好的設(shè)備支付更多費(fèi)用，或者考慮將設(shè)備并聯(lián)以減少導(dǎo)通電阻損失。后一種方法具有不成比例的好處。舉個(gè)例子，讓我們比較兩個(gè)設(shè)備：每個(gè)設(shè)備中流過(guò)一半的電流，與同類型的一個(gè)設(shè)備相比，每個(gè)設(shè)備的功率是四分之一，因?yàn)?I 2 R 的平方。因此可以得出結(jié)論，兩個(gè)設(shè)備耗散總共是一個(gè)的一半的力量。然而，四分之一的功率在每個(gè)器件中產(chǎn)生的溫升要低得多，并且 R DS（on）會(huì)隨溫度顯著增加（圖 1）。每個(gè)器件的導(dǎo)通電阻更低，整體耗散也更低。R DS（on）的正溫度系數(shù)有助于電流共享。但除了成本之外，代價(jià)是驅(qū)動(dòng)功率增加，整體組合開(kāi)關(guān)電容增加，這會(huì)減慢開(kāi)關(guān)速度并增加動(dòng)態(tài)損耗。

圖 1：典型的 SiC MOSFET 導(dǎo)通電阻隨芯片溫度的變化（1，200V 器件）

開(kāi)關(guān)損耗比傳導(dǎo)損耗更受應(yīng)用電路的影響。理論上，SiC 和 GaN 都可以快速切換，以致同時(shí)電流和電壓的任何瞬態(tài)耗散僅持續(xù)幾納秒。如果頻率被推高，每秒的邊沿?cái)?shù)增加，平均功率損耗增加。磁芯損耗也隨著頻率而增加，因此為特定拓?fù)溥x擇開(kāi)關(guān)頻率是開(kāi)關(guān)損耗、磁芯損耗以及更小、更便宜和更輕的磁芯優(yōu)勢(shì)之間的折衷。EMI 也是一個(gè)因素，它可以在高頻下使用較小的濾波器進(jìn)行控制，但來(lái)自快速邊沿速率的 EMI 可以通過(guò)潛行路徑繞過(guò)濾波器并導(dǎo)致它們自身的問(wèn)題。

在一些現(xiàn)代應(yīng)用中，例如逆變器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，開(kāi)關(guān)頻率保持在較低水平，有時(shí)甚至低于 10 kHz，因?yàn)榇判栽某叽绮幌?a target="_blank">電機(jī)那樣直接隨頻率而變化。因此，提高頻率并沒(méi)有什么好處，除了電機(jī)控制響應(yīng)性和平滑度的一些改進(jìn)，因此 IGBT 仍然在這些領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位，尤其是在更高功率的情況下。然而，快速 WBG 器件正在進(jìn)入應(yīng)用領(lǐng)域，因?yàn)樗鼈冊(cè)陂_(kāi)關(guān)損耗方面的優(yōu)勢(shì)即使在低頻下仍然可以有效提高系統(tǒng)效率，并且傳導(dǎo)損耗可以與 IGBT 相媲美，當(dāng)然在較低功率水平下也是如此。

WBG半導(dǎo)體簡(jiǎn)介

我們已經(jīng)暗示了 SiC 和 GaN 為功率轉(zhuǎn)換帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)，但稍微解釋一下它們的基礎(chǔ)知識(shí)可能會(huì)有所幫助。帶隙是指將材料中的電子從原子價(jià)帶移動(dòng)到導(dǎo)帶所需的能量，在那里它們可用于電流流動(dòng)。在 WBG 材料中，該能量高于硅：SiC 為 3.2 eV，GaN 為 3.4 eV，而硅為 1.1 eV。更高的帶隙導(dǎo)致半導(dǎo)體中更高的臨界擊穿電壓和更低的泄漏電流，以及更高溫度操作和一定程度的輻射硬化的額外好處。盡管它們可以在超過(guò) 500°C 的溫度下工作，但 SiC 和 GaN 器件受封裝技術(shù)的限制，通常在 200°C 左右。然而，有效地增加了瞬態(tài)功耗的故障容限。該材料還具有更高的飽和電子速度，以實(shí)現(xiàn)更快的切換。使用 SiC，熱導(dǎo)率比硅好得多，允許在相同的功耗和溫升下使用更小的芯片。圖 2 總結(jié)了這些特性。

圖2：與硅相比的寬帶隙材料特性

與硅相比，導(dǎo)通電阻有所提高，因?yàn)樵谙嗤念~定電壓下，漂移層厚度可以減小，從而降低RDS（On）。在制造中，通過(guò)增加芯片中并聯(lián)單元的數(shù)量始終可以降低導(dǎo)通電阻，但這是以犧牲更大的芯片面積a為代價(jià)的，這會(huì)增加器件電容。這降低了開(kāi)關(guān)速度并增加了成本，因?yàn)槊總€(gè)晶片的芯片產(chǎn)量降低了。因此，表明權(quán)衡的有用比較優(yōu)值（FOM）是RDS（on）。A、 圖3顯示了WBG器件、硅超結(jié)MOSFET和IGBT的一些圖和歸一化芯片尺寸，所有這些器件都處于相同的電壓/電流等級(jí)。

圖3:SiC、GaN和其他技術(shù)之間的優(yōu)值RDS（on）。

WBG器件的電容越小，驅(qū)動(dòng)功率要求也越低，這可能是相當(dāng)可觀的。如果SiC MOSFET替換逆變器中的六個(gè)IGBT，例如20 kHz時(shí)的柵極驅(qū)動(dòng)損耗將從約10 W降至遠(yuǎn)低于1 W。另一個(gè)有用的FOM是RDS（on）。EOS，表示給定類別設(shè)備的總傳導(dǎo)和開(kāi)關(guān)能量損失。

Justifying the use of WBG devices

使用 SiC 或 GaN 的情況取決于您的觀點(diǎn)。假設(shè)零件成本很重要，并且您有一個(gè)可行的 IGBT 解決方案。在這種情況下，使用新技術(shù)開(kāi)發(fā)產(chǎn)品的風(fēng)險(xiǎn)似乎令人生畏，尤其是在需要允許增加 EMI 等影響的情況下。有些器件采用 TO-247 等封裝，與 IGBT 和 Si MOSFET 兼容，可直接替代，但這很少是最佳解決方案。SiC MOSFET 通常需要比其他技術(shù)更高的柵極驅(qū)動(dòng)電壓才能實(shí)現(xiàn)完全飽和。非?？斓倪呇厮俾士赡苄枰?fù)關(guān)閉驅(qū)動(dòng)來(lái)抵消米勒電容的影響，而共源電感往往會(huì)阻止關(guān)閉驅(qū)動(dòng)（圖 4）。GaN 仍然比較棘手，具有非常低的導(dǎo)通電壓和絕對(duì)最大值，

圖 4：共源電感和米勒電容會(huì)導(dǎo)致柵極瞬變。

壓力下的電路操作也是一個(gè)重要的考慮因素。SiC MOSFET 確實(shí)具有雪崩等級(jí)，但 GaN 器件沒(méi)有，因此制造商必須保守地對(duì)他們的器件進(jìn)行評(píng)級(jí)，以獲得連續(xù)最大值，因此有很好的余量。這使器件的電壓額定值稍稍落后于曲線，因此 GaN 通常用于較低的電壓范圍，而 SiC 很容易在 1，200 V 或更高電壓范圍內(nèi)使用。器件還需要針對(duì)故障條件進(jìn)行短路額定值，并且 WBG 器件的穩(wěn)健性一直是深入研究的主題，在 GaN 中發(fā)現(xiàn)了新的故障機(jī)制，例如，由熱電子俘獲觸發(fā)。

許多電源轉(zhuǎn)換拓?fù)涠急憩F(xiàn)出開(kāi)關(guān)反向或三象限傳導(dǎo)，通常來(lái)自引起換向的感性負(fù)載或在雙向轉(zhuǎn)換器中，其中開(kāi)關(guān)成為輸出整流器。IGBT 需要一個(gè)并聯(lián)二極管來(lái)實(shí)現(xiàn)這一功能，但 Si 和 SiC MOSFET 有一個(gè)可以導(dǎo)通的體二極管，盡管它具有高正向壓降和有限的恢復(fù)時(shí)間。GaN HEMT 單元沒(méi)有本征體二極管，而是通過(guò)它們的通道自然地反向傳導(dǎo)，沒(méi)有恢復(fù)電荷。然而，電壓降可能很高，并隨柵極閾值和柵極關(guān)態(tài)偏置電壓而變化。

盡管使用 WBG 器件有額外的考慮，但與 IGBT 和 Si MOSFET 相比，可實(shí)現(xiàn)的效率提高可以使效率目標(biāo)更容易達(dá)到，例如用于服務(wù)器電源的 80+ 鈦。這不僅履行了法定義務(wù)，而且還節(jié)省了能源和成本。如果充分利用其性能，圍繞 SiC 或 GaN 設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有額外的優(yōu)勢(shì)，例如更小、更輕、更便宜的磁性元件和散熱片。這些在電動(dòng)汽車中可能具有雙重優(yōu)勢(shì)，例如，更高的效率和連鎖效應(yīng)還允許更長(zhǎng)的續(xù)航里程。

WBG 制造發(fā)展

所有主要的半導(dǎo)體制造商都致力于不同側(cè)重點(diǎn)的WBG器件。例如，英飛凌一直致力于證明其 SiC MOSFET 柵極氧化物的穩(wěn)健性，其溝槽結(jié)構(gòu)允許在低柵極場(chǎng)強(qiáng)和低缺陷率的情況下實(shí)現(xiàn)低導(dǎo)通電阻。英飛凌的 e-mode CoolGaN 器件沒(méi)有柵極氧化物，測(cè)試顯示故障率小于 1 個(gè) FIT（10 9小時(shí)內(nèi)的故障）。英飛凌 CoolSiC 器件以模塊形式提供 1，700 V 額定值和 1，200 V 時(shí)低至 2 mΩ 的模塊。Infineon CoolGaN 器件采用 20 引腳 PG-DSO-20-85 封裝，電壓范圍為 600 V/60 A，導(dǎo)通電阻為 70-mΩ。

羅門(mén)半導(dǎo)體的第三代 SiC MOSFET 也采用溝槽結(jié)構(gòu)，可提供 1，200 V 電壓，與第二代平面型相比，導(dǎo)通電阻降低了 50%。可用的封裝包括四引線 TO-247 版本，以避免其源極和柵極連接中的常見(jiàn)電感。Rohm 的 GaN 器件還實(shí)現(xiàn)了 8V 的柵極擊穿電壓額定值，從而提高了推薦驅(qū)動(dòng)電壓 （5V） 與絕對(duì)最大值之間的裕度。Rohm 與 WBG 技術(shù)的主要參與者 GaN Systems 合作，專注于創(chuàng)新器件封裝，以實(shí)現(xiàn)器件的最高電氣和熱性能。Rohm‘s Island Technology 使用橫向排列的金屬條來(lái)降低電阻、電感、尺寸和成本。

STMicroelectronics 聲稱其在 200?C 時(shí)的額定溫度為業(yè)界最高的 1，200-V SiC MOSFET，并強(qiáng)調(diào)其領(lǐng)先的產(chǎn)品系列高達(dá) 1，700-V 的額定電壓和極低的導(dǎo)通電阻。STMicroelectronics 聲稱在溫度范圍內(nèi)的變化遠(yuǎn)小于競(jìng)爭(zhēng)部件（圖 5）。STMicroelectronics SiC MOSFET 具有非?？焖偾覉?jiān)固的體二極管，可有效用作續(xù)流二極管。

圖 5：STMicroelectronics SiC MOSFET 導(dǎo)通電阻僅隨溫度略微增加。

Panasonic 還通過(guò)其 X-GaN 技術(shù)在 GaN 器件方面取得了領(lǐng)先地位，該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了增強(qiáng)模式但沒(méi)有電流崩塌，這種效應(yīng)可能會(huì)導(dǎo)致器件故障，因?yàn)樵谑┘痈唠妷旱那闆r下會(huì)瞬時(shí)增加導(dǎo)通電阻。松下還擁有絕緣柵 GaN 器件技術(shù)，即柵極注入晶體管 （GIT），它克服了以前在這種布置中出現(xiàn)的柵極不穩(wěn)定性和滯后現(xiàn)象。

結(jié)論

與以前的技術(shù)相比，采用 SiC 和 GaN 的 WBG 器件具有顯著優(yōu)勢(shì)，尤其是從更大的系統(tǒng)圖景來(lái)看，其連鎖效應(yīng)為其使用增添了令人信服的論據(jù)。應(yīng)用程序設(shè)計(jì)規(guī)則各不相同，但制造商正在努力使這些部件更易于使用，大量積累的證據(jù)證明了它們的穩(wěn)健性和可靠性。

審核編輯：郭婷