苹果派和电源转换器效率

为什么考虑碳化硅场效应晶体管

以“母性和苹果派”的陈述开始博客总是很诱人的，比如更好的功率转换效率的好处列表。更高显然是一个优势，但有时净收益被错误地陈述了——家用电子产品的一点热量会使你的中央供暖在寒冷的气候下工作得不那么辛苦，也许在能源使用和成本方面有整体好处，锅炉效率相对较低。白炽灯也是如此——当你需要温暖时，它们是非常高效的加热器。

不过，其他用户确实看到了一个主要的好处 - 在温暖的地方，产生的热量使空调工作更加困难，成本成倍增加，在工业中，例如服务器场现在超过全球能源需求的1%，效率提高的每一个百分点都意味着节省大量成本并减少对环境的影响。有时，效率提升会达到一个“临界点”，收益开始成倍增加，例如电动汽车，其中改进意味着更小、更轻的功率转换器，从而减少能源需求和延长续航里程。

因此，工程师们不懈地追求效率提升的小数点，经常判断使用新的不熟悉拓扑进行设计的风险，并承诺进行部分改进，是否会在某个任意时间尺度上产生较低的总拥有成本。当你相信效率的提高时，甚至有改进变得更加困难，在测量功率输入和输出时，一个可信的±0.1%的误差可能意味着计算出的损耗可能比实际值多或少40%，而效率已经达到99.5%左右。当电源输入是具有失真且功率因数不太完美的交流电，并且直流电源输出具有残余噪声成分以混淆DVM时，情况会变得更糟。现在通常采用量热方法来实际测量热量输出，而不是从电测量中推断。

图1.即使测试设备精度±0.1%，在高效率水平下也能提供广泛的效率测量精度变化

提高功率转换器效率的一个相对低风险的选择是改进已经设计的半导体。基于MOSFET的转换器可以升级为使用具有较低导通电阻和可能更低开关能量要求的较新器件，并适当考虑EMI辐射的变化。然而，为了充分利用最新的宽带隙器件，如SiC MOSFET或GaN HEMT电池，需要对电路进行更广泛的更改，尤其是栅极驱动。如果现有电路是基于IGBT的，那么您正在考虑从头开始重新设计以使用宽带隙器件。

栅极驱动问题与电压电平有关——为了全面增强，SiC MOSFET 需要一个明显高于 Si-MOSFET 的导通状态驱动，并且非常接近器件的绝对最大额定值，必须仔细限制。导通和关断状态之间的高电压摆幅也需要一些驱动功率，因为栅极电容在每个周期进行充电和放电。此外，阈值电压是可变的，并且具有迟滞，使得最佳驱动变得困难。GaN HEMT电池在某种程度上正好相反，栅极阈值电压和绝对最大值非常低，并且必须再次仔细控制驱动电路以避免过应力和故障。

如果功率转换器电路需要反向或第三象限导通，则SiC MOSFET中体二极管的特性非常重要，并且由于其显着的恢复能量和正向压降，可能导致过度损耗。GaN器件没有体二极管，通过通道反向导通，但在通道通过栅极驱动主动增强之前，死区时间有高压降。如果栅极在关断状态下被驱动为负，则“换向”期间的下降甚至更高。

获得最佳性能的一种方法是考虑SiC FETS，即Si-MOSFET和SiC JFET的级联组合。这些器件具有Si-MOSFET的简单、非关键栅极驱动，但性能品质因数更好 RDS（开启）x 阿和·DS（开启）x E开放源码软件比碳化硅MOSFET和GaN HEMT电池。具有强大的固有雪崩能力和自限流短路电流，体二极管效应类似于低压Si-MOSFET，具有低正向压降和快速恢复。这一切都意味着SiC FET通常可以简单地插入Si-MOSFET甚至IGBT插槽，以立即提高效率。与其他技术一样，仅仅通过调整栅极驱动电阻无法控制SiC FET的速度来限制EMI和应力，但使用这些超快器件，过冲和振铃受到小型RC缓冲器的有效限制，这也简化了器件的并行操作。更换IGBT时，可以提高开关频率，而不会产生不必要的动态损耗，从而获得更小、更轻、更低成本的磁性元件的优势。

SiC FET是一种从所有常见转换拓扑中获得更高效率的安全方法，并带来所有随之而来的好处。他们说，如果你受不了热，那么，好吧，停止烤苹果派（不是一种选择），但你可以在转换器设计中改用SiC FET。

审核编辑：郭婷