【導讀】如果詢(xún)問(wèn)任何功率電子器件設計師他們追求什么，轉換效率通常都會(huì )名列前茅。高效率不僅能節能，還有附帶好處，即打造更小、更輕、更便宜的產(chǎn)品，而釋放的空間還可用于提高可靠性和增加功能。實(shí)際上有些應用受益匪淺，如電動(dòng)車(chē)，它的單次充電行駛里程會(huì )有所提高，還有數據中心，其中的電子器件和必要空調的能耗是一大問(wèn)題，目前占全球能源需求的1%以上。
如果詢(xún)問(wèn)任何功率電子器件設計師他們追求什么，轉換效率通常都會(huì )名列前茅。高效率不僅能節能，還有附帶好處，即打造更小、更輕、更便宜的產(chǎn)品，而釋放的空間還可用于提高可靠性和增加功能。實(shí)際上有些應用受益匪淺，如電動(dòng)車(chē)，它的單次充電行駛里程會(huì )有所提高，還有數據中心，其中的電子器件和必要空調的能耗是一大問(wèn)題，目前占全球能源需求的1%以上。
功率轉換效率提高了電動(dòng)車(chē)的可行性
電動(dòng)車(chē)是車(chē)輪上的數據中心，具有工業(yè)規模的電動(dòng)機控制（圖1），它的可行性取決于牽引逆變器和充電電路的效率。效率每提高一個(gè)百分點(diǎn)都能促進(jìn)散熱需求降低、重量減輕、單次充電行駛里程增加和成本降低，這構成了一個(gè)良性循環(huán)。
圖1：典型的電動(dòng)車(chē)功率轉換元件
鋰離子電池是電動(dòng)車(chē)的心臟所在，它可以是48V，用于輕度混合動(dòng)力，也可以達到500-800V，實(shí)現完全電動(dòng)。電動(dòng)車(chē)中有車(chē)載交直流充電器，它通常雙向導電，可以將多余的能量返回到電網(wǎng)中賺錢(qián)，還有多種輔助直流轉換器，用于為保障安全舒適的設備供電，當然也少不了牽引逆變器，它也有雙向電流，可利用剎車(chē)或慣性滑行中的再生能量。
電動(dòng)車(chē)功率轉換中的半導體開(kāi)關(guān)壓倒性地決定了損耗，而在牽引逆變器中，IGBT可能是個(gè)好選擇，盡管IGBT只能在低頻下實(shí)現高效開(kāi)關(guān)。然而以前，這并不是一個(gè)大問(wèn)題，因為交流電動(dòng)機可以在10kHz或更低頻率的驅動(dòng)下充分運行。不過(guò)，提高頻率能帶來(lái)一些好處，能讓電動(dòng)機控制更加順暢，能實(shí)現更符合正弦波的驅動(dòng)，從而降低鐵損和電動(dòng)機磨損。接近恒定的飽和電壓可以讓IGBT保持低導電損耗，但是寬帶隙開(kāi)關(guān)，尤其是碳化硅（SiC），異軍突起，其導通損耗極低，因而現具有強大的競爭力，還能隨意并聯(lián)，進(jìn)一步降低損耗。FET和MOSFET等SiC器件還滿(mǎn)足雙向電流要求，因為在配置成開(kāi)關(guān)或同步整流器后，它們可以向任意方向導電。IGBT則不能反向導電，需要一個(gè)損耗不菲的并聯(lián)二極管才能實(shí)現此功能。
隨著(zhù)功率要求的提高，電動(dòng)車(chē)充電器和輔助直流轉換器也逐漸被納入能耗計算范疇中，而它們能直接從使用小磁性元件實(shí)現的更高頻率開(kāi)關(guān)中獲益。一直以來(lái)，開(kāi)關(guān)都使用硅超結MOSFET，但是寬帶隙器件有著(zhù)更高的邊沿速率并能降低導通電阻，現可實(shí)現有用的效率增益。
新的功率轉換拓撲結構能盡量提高數據中心的效率
雖然數據中心對能量的需求前所未有地多，但是高效功率轉換器和配電方案的推出使得該需求從2010年到2018年實(shí)際上僅增加了約6%，而同期的互聯(lián)網(wǎng)流量增加了10倍，存儲量增加了20倍。
在無(wú)橋圖騰柱PFC級（TPPFC）和諧振移相全橋與“LLC”直流轉換器等高效拓撲結構的幫助下，數據中心的交直流轉換器現在基本都能達到“80+鈦金”標準，即在230V交流電和50%負載下，能效至少達到96%。這些電路傳統上采用硅MOSFET開(kāi)關(guān)實(shí)現，現在則因采用寬帶隙器件而獲益，這些器件的導電損耗和動(dòng)態(tài)損耗都較低。事實(shí)上，由于存在體二極管反向恢復損耗，在高頻和大功率下采用硅MOSFET實(shí)現TPPFC布置是不可行的。采用SiC或氮化鎵（GaN）則可以解決這個(gè)問(wèn)題。
數據中心使用的配電方案也有所改進(jìn)，以提升效率（圖2）。交直流轉換器帶來(lái)的“中間總線(xiàn)”用于在更高電壓（通常為385V直流電）下傳輸電力，然后電力會(huì )被隔離，并轉換為48V，與備用電池一起實(shí)現更多的本地配電，之后電力流經(jīng)隔離或非隔離的車(chē)載“負載點(diǎn)”轉換器，以進(jìn)入最終轉換級。
圖2：數據中心配電布置
高效功率轉換拓撲結構
現代高效轉換拓撲結構都可以歸為衍生出“降壓”和“升壓”功能的兩個(gè)基本類(lèi)別，在絕緣版本中則稱(chēng)為“正激”和“反激”。它們都能在“硬”或“軟”（諧振）開(kāi)關(guān)模式下運行，并具有至少一個(gè)開(kāi)關(guān)和整流器，在極為負載的多電平電路中，每個(gè)拓撲結構也可能有數十個(gè)開(kāi)關(guān)和整流器。
采用具有較低導通電阻的開(kāi)關(guān)并用同步整流器替代二極管就能盡可能降低導電損耗，通常用MOSFET實(shí)現。理論上，通過(guò)并聯(lián)零件可以任意降低導電損耗。電壓/電流疊加、二極管反向恢復能量和器件電容充電/放電造成的開(kāi)關(guān)損耗則比較難以控制，并會(huì )隨著(zhù)頻率提高而提高，且成正比。這阻礙了硅MOSFET在非常高的頻率下的使用，在這種情況下，我們的目標是大幅減小磁性元件的體積。對于部分“零壓開(kāi)關(guān)”（ZVS）或“零電流開(kāi)關(guān)”（ZCS）拓撲結構而言，在諧振模式下運行是一種解決辦法，但是必須要小心確保在瞬態(tài)或過(guò)載條件下不會(huì )發(fā)生具有破壞性的高損耗“硬”開(kāi)關(guān)。在這種情況下，寬帶隙器件可以憑借其無(wú)論如何都比硅低的動(dòng)態(tài)損耗提供一些安全裕度。
實(shí)際上，部分轉換級必須采用“硬開(kāi)關(guān)”，如上文提到的TTPFC，它在大功率和“連續導電”模式下運行，以將峰值電流和組件應力保持在合理范圍內。此時(shí)，寬帶隙器件的價(jià)值無(wú)法估量。
高效拓撲結構的示例——LLC轉換器
LLC轉換器（圖3）很好地詮釋了高效轉換器?！癓LC”這個(gè)名稱(chēng)得自構成諧振回路的一次電路中的兩個(gè)電感器和一個(gè)電容器。
圖3：LLC轉行器略圖
在變壓器T1中，L1是獨立的或受控的漏電感，第二個(gè)電感器是T1的一次側電感器。在反相和可變頻率下，Q1和Q2以50%的占空比驅動(dòng)，為回路提供方波驅動(dòng)。在回路的諧振頻率下，阻抗極低，會(huì )有盡可能多的能量通過(guò)變壓器行為傳遞到輸出端。如不采用諧振，電感器或電容的阻抗會(huì )較高，傳輸的能量也較少。對于恒定的輸出負載，這意味著(zhù)可以通過(guò)改變驅動(dòng)頻率有效控制輸出電壓。實(shí)際上，設定的名義頻率會(huì )高于諧振頻率，這讓回路“電感十足”，以至于Q1和Q2都自然而然地出現了零壓開(kāi)關(guān)，實(shí)現了低損耗。變壓器一次側和二次側電流呈正弦波，因此輸出二極管實(shí)現零電流開(kāi)關(guān)。由于發(fā)生多重諧振，LLC的控制非常復雜，但是它可以在非常高的頻率下運行。
損耗描述
很難說(shuō)給定拓撲結構、頻率和負載范圍采用哪種開(kāi)關(guān)技術(shù)最好，因而“品質(zhì)因數”（FOM）會(huì )很有用。其中一個(gè)是RDS(ON).A，器件導通電阻與晶粒面積的乘積。它有用地表明了給定晶粒體積與導電損耗的關(guān)系，即始終可以通過(guò)提高晶粒體積降低導通電阻，但是電容、開(kāi)關(guān)損耗和成本也會(huì )隨之增加，而單晶圓的產(chǎn)量則會(huì )下降。性能表征RDS(ON).EOSS是另一個(gè)指標，結合了導電損耗和開(kāi)關(guān)損耗，開(kāi)關(guān)損耗是由器件輸出電容內存儲的能量造成的，該指標對“硬”開(kāi)關(guān)拓撲結構十分重要。在Si-MOSFET中，EOSS可能很高并且可變，而在相同導通電阻和器件電壓級下，在SiC MOSFET中則較低，在SiC FET共源共柵結構中的值也較低。SiC FET是SiC JFET和Si-MOSFET的共源共柵結構。另一個(gè)重要參數是在開(kāi)關(guān)中任何體二極管效應的反向恢復能量，它在硬開(kāi)關(guān)條件下會(huì )造成顯著(zhù)耗損。SiC MOSFET的一些值很低，但是增益會(huì )被抵消，因為二極管前向壓降高，如果因“換向”而在開(kāi)關(guān)“死區”時(shí)間內導電，這會(huì )造成耗損增加。比較而言，SiC FET共源共柵結構的二極管恢復能量更低，前向壓降也低得多。GaN器件沒(méi)有恢復效應，通過(guò)溝道反向導電，但是在換向條件下壓降高，且壓降取決于柵極驅動(dòng)電壓等級。
各種開(kāi)關(guān)類(lèi)型的溝道影響和反向導電損耗都可以用性能表征RDS(ON).Qrr來(lái)描述，而一個(gè)在高頻軟開(kāi)關(guān)拓撲結構中表示性能的指標是性能表征RDS(ON).COSS(tr)，其中的tr表示“與時(shí)間相關(guān)”。
比較開(kāi)關(guān)技術(shù)
在高頻轉換器方面，之前提到了硅超結MOSFET、SiC MOSFET、GaN HEMT單元和SiC FET共源共柵結構。表1中總結了在相同電壓和器件電流級下它們的性能表征的比較結果。
表1：在650V/20A等級下比較開(kāi)關(guān)特征
從表中可以看出，與硅相比，SiC MOSFET和GaN具有損耗方面的優(yōu)勢，不過(guò)在上述示例中，它們的雪崩能量額定值和到殼的熱阻比較差。然而，UnitedSiC制造的SiC FET具有更好或相同的性能表征，在所述等級下，導通電阻顯著(zhù)降低，并且由于銀燒結晶粒連接方式和晶圓減薄技術(shù)，到殼的熱阻也好得多。
SiC FET的另一個(gè)優(yōu)勢是，與其他寬帶隙技術(shù)相比，它的柵極驅動(dòng)很簡(jiǎn)單。SiC MOSFET需要大約18V的柵極驅動(dòng)才能實(shí)現全面增強，與絕對最大值非常接近，而柵極閾值是可變的，受遲滯影響，并影響短路耐受性。GaN的柵極閾值電壓低，絕對最大值差不多低，因而必須小心驅動(dòng)以免瞬態(tài)和短路造成電壓過(guò)應力，在存在高dV/d和di/dt波形時(shí)，電壓過(guò)應力非常危險。
在比較中，SiC FET可以使用標準硅MOSFET或IGBT柵極驅動(dòng)在典型的0-12V電壓下驅動(dòng)，且距離最大絕對值有很大的裕度。該閾值穩定，表明沒(méi)有遲滯，且柵極電壓不會(huì )影響固有的SiC FET短路耐受額定值。
UnitedSiC的“第四代”SiC FET現在的開(kāi)關(guān)速度極快，以致于在需要控制邊沿速率以盡量減小過(guò)沖和EMI時(shí)，這可能會(huì )成為一個(gè)實(shí)際問(wèn)題。然而，UnitedSiC已經(jīng)表明簡(jiǎn)單的低損耗緩沖電路是一個(gè)有效解決方案。一個(gè)新發(fā)展是采用自由JFET柵極的SiC FET共源共柵結構，它允許更好地控制開(kāi)關(guān)速度，而將共源共柵的Si-MOSFET一同封裝則仍允許在啟動(dòng)、關(guān)閉和故障條件下實(shí)現常關(guān)型運行。
結論
寬帶隙半導體技術(shù)為實(shí)現更高效的功率轉換打開(kāi)了大門(mén)。UnitedSiC生產(chǎn)的SiC FET走在最前沿，各方面的性能表征都十分出色。
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