使用宽带隙推动提高效率的下一代电源设计扩大了性能差距

不久前，全球能源需求预计将继续呈指数增长，但 2020 年的健康危机导致需求下降，一些主要经济体在每周的某些时段内需求下降了 25% 以上。然而，预计主要由中国和印度经济推动的全球反弹将刺激两位数的 GDP 增长。

与此同时，联合国制定了普遍获得负担得起的能源和扩大基础设施的目标。这种增加能源消耗和发电的压力可以被视为减少 CO 2排放的障碍，因此联合国的目标还包括将全球能源效率的提高速度提高一倍。工程师们可能想知道这在真正的科学术语中意味着什么。它设定了一个基线要求，即在从公用事业规模到负载点以及从工业到电信和家庭的所有应用领域，不断做得更好并最大限度地减少电源转换器设计中的损耗。

功率转换器中使用的半导体开关技术是改进的关键，而使用碳化硅 （SiC） 和氮化镓 （GaN） 的新型宽带隙（WBG） 类型有望取得重大进展。让我们详细研究一下这些优势。

电源转换的挑战

工程师的术语也可能有点不精确：功率没有转换。理想情况下，在 AC/DC、DC/DC或 DC/AC 系统中输入和输出是相同的。但是在这个过程中不可避免地会经历一些损失，这是我们尽量减少的。出于安全或功能原因，通常需要电压转换以及调节和电流隔离，并且整个过程使用开关模式技术以获得最佳效率。

开关模式下的开关是晶体管，最初是双极结型，但现在最常见的是金属氧化物半导体场效应晶体管 （MOSFET） 或绝缘栅双极晶体管 （IGBT），用于更高的电压和功率水平。我们寄希望于的 WBG 器件通常是 SiC MOSFET，类似于硅类型和 GaN 高电子迁移率晶体管 （HEMT） 单元，它们更类似于制造的结栅场效应晶体管 （JFET）在增强模式下，它们通常以零栅极电压关闭。稍后我们将更详细地研究这两种类型。两者都比同类硅 MOSFET 具有更低的导通电阻和开关损耗，但前提是它们被最佳驱动，这是它们使用中的挑战之一。可以使用许多不同的基本拓扑来设计电源转换器，选择最好的可能是一个决定成败的决定。这取决于您的优先级，但如果这是效率，那么谐振拓扑通常是理想的。不过，硬开关、非谐振拓扑也有其一席之地，而且有时是唯一的选择，例如图腾柱功率因数校正 （PFC） 级。但在这些情况下，使用 WBG 半导体仍然可以产生良好的效率。

无论选择哪种拓扑结构和半导体技术，我们将损耗降至最低的目标都集中在器件导通电阻和开关或动态损耗上。无源元件总会有损耗，但与开关损耗相比，这些通常在噪声中。也存在一些互动。例如，GaN 可以实现非常高频的操作，其中磁性更小，铜更少，从而降低了欧姆损耗。此外，还可以选择一种拓扑结构，通常是多相方法，其中输入和/或输出纹波电流可以被布置为抵消，从而减少电容器等效串联电阻 （ESR） 元件中的损耗。

选择很简单：为更好的设备支付更多费用，或者考虑将设备并联以减少导通电阻损失。后一种方法具有不成比例的好处。举个例子，让我们比较两个设备：每个设备中流过一半的电流，与同类型的一个设备相比，每个设备的功率是四分之一，因为 I 2 R 的平方。因此可以得出结论，两个设备耗散总共是一个的一半的力量。然而，四分之一的功率在每个器件中产生的温升要低得多，并且 R DS（on）会随温度显着增加（图 1）。每个器件的导通电阻更低，整体耗散也更低。R DS（on）的正温度系数有助于电流共享。但除了成本之外，代价是驱动功率增加，整体组合开关电容增加，这会减慢开关速度并增加动态损耗。

图 1：典型的 SiC MOSFET 导通电阻随芯片温度的变化（1，200V 器件）

开关损耗比传导损耗更受应用电路的影响。理论上，SiC 和 GaN 都可以快速切换，以致同时电流和电压的任何瞬态耗散仅持续几纳秒。如果频率被推高，每秒的边沿数增加，平均功率损耗增加。磁芯损耗也随着频率而增加，因此为特定拓扑选择开关频率是开关损耗、磁芯损耗以及更小、更便宜和更轻的磁芯优势之间的折衷。EMI 也是一个因素，它可以在高频下使用较小的滤波器进行控制，但来自快速边沿速率的 EMI 可以通过潜行路径绕过滤波器并导致它们自身的问题。

在一些现代应用中，例如逆变器和电机驱动器，开关频率保持在较低水平，有时甚至低于 10 kHz，因为磁性元件的尺寸不像电机那样直接随频率而变化。因此，提高频率并没有什么好处，除了电机控制响应性和平滑度的一些改进，因此 IGBT 仍然在这些领域占据主导地位，尤其是在更高功率的情况下。然而，快速 WBG 器件正在进入应用领域，因为它们在开关损耗方面的优势即使在低频下仍然可以有效提高系统效率，并且传导损耗可以与 IGBT 相媲美，当然在较低功率水平下也是如此。

WBG半导体简介

我们已经暗示了 SiC 和 GaN 为功率转换带来的优势，但稍微解释一下它们的基础知识可能会有所帮助。带隙是指将材料中的电子从原子价带移动到导带所需的能量，在那里它们可用于电流流动。在 WBG 材料中，该能量高于硅：SiC 为 3.2 eV，GaN 为 3.4 eV，而硅为 1.1 eV。更高的带隙导致半导体中更高的临界击穿电压和更低的泄漏电流，以及更高温度操作和一定程度的辐射硬化的额外好处。尽管它们可以在超过 500°C 的温度下工作，但 SiC 和 GaN 器件受封装技术的限制，通常在 200°C 左右。然而，有效地增加了瞬态功耗的故障容限。该材料还具有更高的饱和电子速度，以实现更快的切换。使用 SiC，热导率比硅好得多，允许在相同的功耗和温升下使用更小的芯片。图 2 总结了这些特性。

图2：与硅相比的宽带隙材料特性

与硅相比，导通电阻有所提高，因为在相同的额定电压下，漂移层厚度可以减小，从而降低RDS（On）。在制造中，通过增加芯片中并联单元的数量始终可以降低导通电阻，但这是以牺牲更大的芯片面积a为代价的，这会增加器件电容。这降低了开关速度并增加了成本，因为每个晶片的芯片产量降低了。因此，表明权衡的有用比较优值（FOM）是RDS（on）。A、 图3显示了WBG器件、硅超结MOSFET和IGBT的一些图和归一化芯片尺寸，所有这些器件都处于相同的电压/电流等级。

图3:SiC、GaN和其他技术之间的优值RDS（on）。

WBG器件的电容越小，驱动功率要求也越低，这可能是相当可观的。如果SiC MOSFET替换逆变器中的六个IGBT，例如20 kHz时的栅极驱动损耗将从约10 W降至远低于1 W。另一个有用的FOM是RDS（on）。EOS，表示给定类别设备的总传导和开关能量损失。

Justifying the use of WBG devices

使用 SiC 或 GaN 的情况取决于您的观点。假设零件成本很重要，并且您有一个可行的 IGBT 解决方案。在这种情况下，使用新技术开发产品的风险似乎令人生畏，尤其是在需要允许增加 EMI 等影响的情况下。有些器件采用 TO-247 等封装，与 IGBT 和 Si MOSFET 兼容，可直接替代，但这很少是最佳解决方案。SiC MOSFET 通常需要比其他技术更高的栅极驱动电压才能实现完全饱和。非常快的边沿速率可能需要负关闭驱动来抵消米勒电容的影响，而共源电感往往会阻止关闭驱动（图 4）。GaN 仍然比较棘手，具有非常低的导通电压和绝对最大值，

图 4：共源电感和米勒电容会导致栅极瞬变。

压力下的电路操作也是一个重要的考虑因素。SiC MOSFET 确实具有雪崩等级，但 GaN 器件没有，因此制造商必须保守地对他们的器件进行评级，以获得连续最大值，因此有很好的余量。这使器件的电压额定值稍稍落后于曲线，因此 GaN 通常用于较低的电压范围，而 SiC 很容易在 1，200 V 或更高电压范围内使用。器件还需要针对故障条件进行短路额定值，并且 WBG 器件的稳健性一直是深入研究的主题，在 GaN 中发现了新的故障机制，例如，由热电子俘获触发。

许多电源转换拓扑都表现出开关反向或三象限传导，通常来自引起换向的感性负载或在双向转换器中，其中开关成为输出整流器。IGBT 需要一个并联二极管来实现这一功能，但 Si 和 SiC MOSFET 有一个可以导通的体二极管，尽管它具有高正向压降和有限的恢复时间。GaN HEMT 单元没有本征体二极管，而是通过它们的通道自然地反向传导，没有恢复电荷。然而，电压降可能很高，并随栅极阈值和栅极关态偏置电压而变化。

尽管使用 WBG 器件有额外的考虑，但与 IGBT 和 Si MOSFET 相比，可实现的效率提高可以使效率目标更容易达到，例如用于服务器电源的 80+ 钛。这不仅履行了法定义务，而且还节省了能源和成本。如果充分利用其性能，围绕 SiC 或 GaN 设计的系统具有额外的优势，例如更小、更轻、更便宜的磁性元件和散热片。这些在电动汽车中可能具有双重优势，例如，更高的效率和连锁效应还允许更长的续航里程。

WBG 制造发展

所有主要的半导体制造商都致力于不同侧重点的WBG器件。例如，英飞凌一直致力于证明其 SiC MOSFET 栅极氧化物的稳健性，其沟槽结构允许在低栅极场强和低缺陷率的情况下实现低导通电阻。英飞凌的 e-mode CoolGaN 器件没有栅极氧化物，测试显示故障率小于 1 个 FIT（10 9小时内的故障）。英飞凌 CoolSiC 器件以模块形式提供 1，700 V 额定值和 1，200 V 时低至 2 mΩ 的模块。Infineon CoolGaN 器件采用 20 引脚 PG-DSO-20-85 封装，电压范围为 600 V/60 A，导通电阻为 70-mΩ。

罗门半导体的第三代 SiC MOSFET 也采用沟槽结构，可提供 1，200 V 电压，与第二代平面型相比，导通电阻降低了 50%。可用的封装包括四引线 TO-247 版本，以避免其源极和栅极连接中的常见电感。Rohm 的 GaN 器件还实现了 8V 的栅极击穿电压额定值，从而提高了推荐驱动电压 （5V） 与绝对最大值之间的裕度。Rohm 与 WBG 技术的主要参与者 GaN Systems 合作，专注于创新器件封装，以实现器件的最高电气和热性能。Rohm‘s Island Technology 使用横向排列的金属条来降低电阻、电感、尺寸和成本。

STMicroelectronics 声称其在 200˚C 时的额定温度为业界最高的 1，200-V SiC MOSFET，并强调其领先的产品系列高达 1，700-V 的额定电压和极低的导通电阻。STMicroelectronics 声称在温度范围内的变化远小于竞争部件（图 5）。STMicroelectronics SiC MOSFET 具有非常快速且坚固的体二极管，可有效用作续流二极管。

图 5：STMicroelectronics SiC MOSFET 导通电阻仅随温度略微增加。

Panasonic 还通过其 X-GaN 技术在 GaN 器件方面取得了领先地位，该技术实现了增强模式但没有电流崩塌，这种效应可能会导致器件故障，因为在施加高电压的情况下会瞬时增加导通电阻。松下还拥有绝缘栅 GaN 器件技术，即栅极注入晶体管 （GIT），它克服了以前在这种布置中出现的栅极不稳定性和滞后现象。

结论

与以前的技术相比，采用 SiC 和 GaN 的 WBG 器件具有显着优势，尤其是从更大的系统图景来看，其连锁效应为其使用增添了令人信服的论据。应用程序设计规则各不相同，但制造商正在努力使这些部件更易于使用，大量积累的证据证明了它们的稳健性和可靠性。

审核编辑：郭婷