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利用寬帶隙半導(dǎo)體技術(shù)提高功率轉(zhuǎn)換效率

發(fā)布時(shí)間：2021-09-01 責(zé)任編輯：wenwei

【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，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）。
 
利用寬帶隙半導(dǎo)體技術(shù)提高功率轉(zhuǎn)換效率
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)。
 
利用寬帶隙半導(dǎo)體技術(shù)提高功率轉(zhuǎn)換效率
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）。
 
利用寬帶隙半導(dǎo)體技術(shù)提高功率轉(zhuǎn)換效率
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%的恒定反相信號輕松驅(qū)動(dòng)。這造成了對由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)。控制過程很復(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。
 
利用寬帶隙半導(dǎo)體技術(shù)提高功率轉(zhuǎn)換效率
表1：開關(guān)特征比較——650V/20A級
 
該表清楚地表明了相似等級的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)渲校褂肬nitedSiC制造的SiC FET都能實(shí)現(xiàn)有用的性能提升。
 
 
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