下一代电源系统设计中的新型宽禁带技术-电子发烧友网

当务之急：尽可能降低发热量

根据国际能源署的数据，全球电能需求目前处于惊人的水平，预测到2020年将达到近30拍瓦。对于我们这些认为几千瓦的烤面包机就属高功率的普通人来说，这几乎是一个无法想像的数字。主要受亚洲经济体的驱动，这个数字一定还会增加，当然，现在有一项关注重点是通过可再生能源满足这种需求，以便缓解气候变化影响。截留太阳辐射、风能和其他绿色能源，在其转化为热量前提取电力，这样的方法应该没有净增温效应。但是化石燃料仍然是主要的能源，它们会释放出本来会被“锁定”的热量。因此，在从原矿到有用功的转换过程中，效率非常关键，较高的效率可以避免过多的能量损失到环境中，同时也节约了成本。

当今能源的主要用途是工业生产，特别是驱动电机，但数据中心消耗的能源也不少，此外电动汽车 (EV) 的充电需求在未来几年也会有爆炸性的增长。在这些应用以及从家用电器到手机充电器的许多其他应用中，都可以看到极力降低功耗的技术创新，它们都利用了“智能”技术，例如电动机的变频驱动器。这牵涉到使用电子电源，它们现在稳稳占据着业界的C位，能量转换损失比以往更低。在本文中，我们将着眼于设计人员在现阶段如何使用半导体开关技术，从而更容易地实现高效的功率转换器。

功率转换挑战和拓扑

我们都在讲“功率转换器”，但这个名称其实有点不恰当——它的理想情况是实现设备的输出功率与输入功率完全相同才对。这就是功率转换器设计人员所追求的目标：将电能从配电系统（通常是交流市电或直流母线）转换为不同的直流或交流电压，同时又不会将任何电能耗散为废热。出于安全或功能性的原因，有时需要通过变压器耦合进行电气隔离；输出电压可能高于也可能低于输入电压，或者经过或不经过主动调节，但在所有情况下，“开关模式”技术都已变得无处不在。

多年来，双极型半导体已成为需要电控开关应用的常规选择，例如在功率转换和电机驱动器应用中。但这种趋势已经发生了变化，最初是缘于金属氧化物半导体场效应管 (MOSFET)，现在则是氮化镓 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 器件。诸如绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 等GaN和SiC器件凭借其优异的热性能和高开关能力，非常适合高压和大功率开关应用。

转换器的拓扑也得到了改进，其中最有效的就是大功率下多开关半桥或全桥配置中的“谐振”类型。使用IGBT或MOSFET的三相桥现在通常用于产生电机驱动器的交流电。在所有这些拓扑中，理想的开关在打开或关闭时都不会耗散任何功率，理想的电感器、变压器或电容器也不会耗散热量，因此转换器设计的重点是使用性能最接近理想值的元件，同时尽可能减少瞬变耗散条件，例如开关在接通和断开状态之间的开关摆幅。在现代设计中，这类“开关”损耗造成的能量耗散最多，并且具有很高的峰值。

这些损耗显然与每秒开关转换次数（频率）成正比，因此对于半导体而言，频率越低越好。随着频率的增加，磁性元件的铁心损耗也随之增加，但是它们的尺寸、重量和成本却随着铜损降低，因此在选择频率时需要折衷考虑，最终结果既有可能是电机驱动器中的几kHz，也有可能是需要优先考虑尺寸时（如在电信应用中）的几MHz。

最新的SiC和GaN宽禁带器件固有的开关速度非常快，以至于无法测量。但器件内部和周围的寄生电容却可能将这一速度降低到纳秒范围。因此，设备输出电容 (COSS) 和充放电所需能量 (EOSS) 是重要的品质因数 (FOM)，MOSFET的导通电阻RDS(ON)也是如此，后者在高电流的场景至关重要。导通电阻和管芯面积的乘积RDS(ON)•A是总损耗的另一个重要FOM，随着管芯面积的缩小，电容及其相关的开关损耗也会降低。

认识宽禁带半导体

让我们来解释一下我们说的“宽禁带”(WBG) 器件是什么意思。它们是SiC和GaN半导体，需要相对较高的能量才能将电子从原子的“价”带移动到其“导”带，从而使电子流过。“禁带”的度量单位是电子伏特 (eV)，硅 (Si) 的这个值约为1.1eV，SiC是3.2eV，GaN则是3.4eV。高禁带值产生了更高的临界击穿电压和更低的泄漏电流，在高温下尤其如此。因而，WBG器件还具有更好的电子饱和速度，因而能加快开关速度。SiC器件还容易表现出优异的导热性。

我们知道，较小的管芯尺寸可减少WBG器件的电容并实现更快的开关速度。小管芯尺寸的另一个结果是大大降低了栅极驱动器的功率要求。在用于MOSFET和IGBT硅片的传统技术中，产生有效开关需要较高的栅极电荷值，有时对于IGBT可达微库仑的数量级，对于功率MOSFET则约为数百纳库仑。这就需要很大的驱动功率，对于较大的IGBT，功率需要达到瓦特的数量级，从而造成了显著的系统损耗。对于WBG器件而言，即使在很高的频率下，损耗也仅为毫瓦级。

此外，WBG器件还有更多优势。例如，它们本身就能够在比硅更高的温度下工作，一些制造商甚至表示他们的器件可在超过500°C的峰值下工作。尽管封装实际上将温度限制在较低的工作温度范围内，但高峰值能力可以保证瞬态压力条件下的可靠性。与硅相比，WBG器件的栅漏和导通电阻等在临界值随温度的变化也要低得多，宽禁带甚至使这些器件更耐辐射，适用于航空航天中的高可靠性应用。

WBG器件的发展

尽管IGBT和硅MOSFET仍在功率开关市场中占主导地位，并且随着新一代的出现而不断得到改进，但是将WBG器件的潜在性能与之进行比较时，使用WBG器件的案例仍然引人注目。作为新兴技术，WBG的成本一开始要高于硅，但其价格正在下降，并且连锁系统的优点在很大程度上抵消了这一点。例如，这些器件的效率可能会得到显著提高，与此同时，尺寸、重量和相应的其他元件（例如散热片）以及在输出和EMC滤波中使用的电感器和电容器的成本也会相应降低。此外，系统功能性能也会随着更快的开关速度、更快的负载变化响应和更流畅的电机控制而得到改善。

WBG器件制造商

总体而言，WBG器件制造商可以有理由说，使用他们器件的价值在于任何存在功率转换的新应用都需要考虑到这些器件，并且他们也努力不懈地完善技术，使部件易于使用并且坚固耐用，尤其是在电机驱动器中常见的短路和过电压等故障状态下。

让我们看一些WBG器件制造商，以及他们如何将WBG技术结合到他们的产品中。

英飞凌

英飞凌展示了其SiC MOSFET栅极氧化物界面的可靠性。这种界面如果存在缺陷，就可能会失效，或者至少会降低通道迁移率和导通电阻。作为解决方案，它选择了一种沟槽结构，可在低栅极电场强度下实现低通道电阻。英飞凌的GaN高电子迁移率晶体管 (HEMT) 器件采用了一种平面结构。不同于SiC MOSFET，HEMT没有体二极管，这使得它们特别适合“硬开关”应用。其结构被设计成与使用SiC MOSFET一样的增强模式工作，但不存在栅极绝缘，因此需要小的栅极电流来保持器件导通。

其连通态栅极阈值电压也很低，通常约为1.4V。GaN器件的额定电压水平为600V，相比之下SiC为1200V或更高，但在特定额定电压下GaN RDS(ON) 的理论极限约为SiC的10倍。

STMicroelectronics

STMicroelectronics宣称其1200V SiC MOSFET具有业内超高的额定温度，达到了200°C，在这个温度范围内具有出色的超低导通电阻。这避免了电动机驱动器等当中的换向电路对外部二极管的依赖，从而节省了空间和成本。

ROHM

ROHM也是SiC MOSFET市场上的主要参与者，其新器件具有高性价比和突破性的性能。ROHM推出了一款共同封装了反并联SiC肖特基势垒二极管的SiC MOSFET，可用于要求苛刻的换向开关应用，其中并联二极管在1.3V时较低的正向压降产生的损耗低于4.6V时的体二极管。

ROHM还与WBG领域的另一家公司GaN Systems开展合作。GaN Systems是一家专注于专利封装技术的公司，这些技术充分利用GaN的速度和低导通电阻特点。其“Island Technology”（岛技术）将HEMT单元的矩阵与横向排列的金属条连接起来，以减少电感、热阻、尺寸和成本。其无引线键合的GaNPX封装技术可提供出色的热性能、密度和低厚度。

Panasonic

Panasonic是GaN市场的另一家主要参与者，其采用专利技术的X-GaNTM器件可以实现“常断”操作而没有“电流崩塌”。“电流崩塌”是一种GaN效应，指的是漏极之间的俘获电子在施加高压时会瞬时增加导通电阻，从而可能导致器件故障（图4）。Panasonic栅极注入晶体管 (GIT) 技术也是一项重大进步，这项技术带来一种真正的“常闭”GaN器件，可使用类似于硅MOSFET的栅极电压来驱动。