【導讀】為努力實(shí)現更高的功率密度并滿(mǎn)足嚴格的效率法規要求以及系統正常運行時(shí)間要求，工業(yè)和功率電子設計人員在進(jìn)行設計時(shí)面臨著(zhù)不斷降低功率損耗和提高可靠性的難題。SIC雙極結型晶體管可實(shí)現效率和功率密度的大幅提升，以及改善功率密度、可靠性和效率。從而實(shí)現電力電子的高能耗設計。
在過(guò)去30多年中，諸如MOSFET和IGBT之類(lèi)的CMOS替代產(chǎn)品在大多數電源設計中逐漸取代基于硅的BJT，但是今天，基于碳化硅的新技術(shù)為BJT賦予了新的意義，特別是在高壓應用中。
碳化硅布局以同等或更低的損耗實(shí)現更高的開(kāi)關(guān)頻率，并且在相同形狀因數的情況下可產(chǎn)生更高的輸出功率。運用了SiC BJT的設計也將使用一個(gè)更小的電感，并且使成本顯著(zhù)降低。雖然運用碳化硅工藝生產(chǎn)的BJT相較于僅基于硅的BJT會(huì )更昂貴，但是使用SiC技術(shù)的優(yōu)勢在于可在其它方面節省設計成本，從而實(shí)現更低的整體成本。本文介紹的升壓轉換器設計用于光伏轉換階段，其充分利用SiC BJT的優(yōu)勢，在顯著(zhù)降低系統成本的同時(shí)可實(shí)現良好的效率。
SIC BJT的優(yōu)勢
基于硅的BJT在高壓應用中失寵有幾方面原因。首先，Si BJT中的低電流增益會(huì )形成高驅動(dòng)損耗，并且隨著(zhù)額定電流的增加，損耗變得更糟。雙極運行也會(huì )導致更高的開(kāi)關(guān)損耗，并且在器件內產(chǎn)生高動(dòng)態(tài)電阻?？煽啃砸彩且粋€(gè)問(wèn)題。在正向偏壓模式下運行器件，可能會(huì )在器件中形成具有高電流集中的局部過(guò)溫，這可能導致器件發(fā)生故障。此外，電感負載切換過(guò)程中出現的電壓和電流應力，可能會(huì )導致電場(chǎng)應力超出漂移區，從而導致反向偏壓擊穿。 這會(huì )嚴格限制反向安全工作區(RSOA)，意味著(zhù)基于硅的BJT將不具有短路能力。
在運用SIC BJT中不存在同樣的問(wèn)題。與硅相比，碳化硅支持的能帶間隙是其三倍，可產(chǎn)生更大的電流增益，以及更低的驅動(dòng)損耗，因此BJT的效率更高。碳化硅的擊穿電場(chǎng)強度是硅的10倍，因此器件不太容易受到熱擊穿影響，并且要可靠得多。碳化硅在更高的溫度下表現更出色，因此應用范圍更為廣泛，甚至包括汽車(chē)環(huán)境。
從成本角度而言，碳化硅的高開(kāi)關(guān)頻率在硬件級可實(shí)現成本節約。雖然相較于基于純硅，基于碳化硅的BJT更昂貴，但SiC工藝的高功率密度將會(huì )轉換為更高的芯片利用率，并且支持使用更小的散熱器和更小的過(guò)濾器元件。從長(cháng)遠來(lái)看，使用更昂貴的碳化硅BJT實(shí)際上更省錢(qián)，因為整體系統的生產(chǎn)成本更低。我們設計的升壓轉換器就是一個(gè)例子。它設計用于額定功率為17千瓦的光伏系統中，具有600伏的輸出電壓，輸入范圍為400到530V。
管理效率
BJT的驅動(dòng)器電路能夠減少損耗和提高系統效率。驅動(dòng)器做了兩件事：對器件電容迅速充放電，實(shí)現快速開(kāi)關(guān)；確保連續提供基極電流，使晶體管在導通狀態(tài)中保持飽和狀態(tài)。
為了支持動(dòng)態(tài)操作，15V的驅動(dòng)器電源電壓引起更快的瞬態(tài)變化，并提高性能。SiC BJT的閾值電壓約為3V。通常情況下無(wú)需使用負極驅動(dòng)電壓或米勒鉗位來(lái)提高抗擾度。
SiC BJT是一個(gè)“常關(guān)型”器件，并且僅在持續提供基極電流時(shí)激活。選擇靜態(tài)操作的基極電流值會(huì )涉及到傳導損耗和驅動(dòng)損耗間的折衷平衡。盡管有較高的增益值（因此會(huì )形成較低的基極電流），驅動(dòng)損耗對SiC BJT仍非常重要，由于SiC布局具有較寬能帶間隙，因此必須在基極和發(fā)射極間提供一個(gè)更高的正向電壓。將基極電流增加一倍，從0.5A增加到1A，僅降低正向等效電阻10％，因此需要降低傳導損耗，同時(shí)使飽和度轉變?yōu)檩^高水平。這是我們設計升壓轉換器的一個(gè)重要考慮因素，因為它會(huì )在更高的電流紋波下運行。1A的基極電流會(huì )使開(kāi)關(guān)能力增加至40A。
靜態(tài)驅動(dòng)損耗是選定驅動(dòng)電壓和輸入電壓的一個(gè)函數（間接表示占空比值）。實(shí)現高開(kāi)關(guān)速度需要 15V的驅動(dòng)電壓，產(chǎn)生約8W的損耗，主要集中在基極電阻上。為了彌補這方面的損耗，對于動(dòng)態(tài)和靜態(tài)操作，我們通常使用兩個(gè)單獨的電源電壓。圖1提供了示意圖。高壓驅動(dòng)器的控制信號會(huì )“中斷”，因此它僅在開(kāi)關(guān)瞬態(tài)期間使能。靜態(tài)驅動(dòng)階段使用較低電壓，從而可以降低靜態(tài)損耗，并在整個(gè)導通期間保持激活狀態(tài)。
圖1：使用兩個(gè)電源電壓降低損耗
減小濾波器的尺寸
在更高的開(kāi)關(guān)頻率下運行，可降低無(wú)源元件的成本。為了進(jìn)一步提高功率密度，我們著(zhù)眼于改善濾波器電感的方法。在評估了各種核心材料的能力后，我們選擇了一種使用Vitroperm 500 F（一種薄夾層式納米晶體材料）制成的新型磁芯材料。該材料產(chǎn)生的損耗低，且在高頻率下運轉良好。此外也可在高飽和磁通值下運行，這意味著(zhù)該材料比類(lèi)似的鐵氧體磁芯（圖2右側）要小得多。使用 Virtoperm磁芯構成的濾波電感器，約為參照系統的四分之一大小。
圖2：用作頻率函數的不同芯材的電感器大小，以及與Vitroperm和鐵氧體磁芯的大小比
圖2顯示了在最大電流紋波（40％）下對于不同材料將電感器尺寸作為開(kāi)關(guān)頻率函數的因素。在此，我們假設電感量近似為電感值，而這又取決于峰值磁通密度和開(kāi)關(guān)頻率。在達到指定的臨界點(diǎn)（在100mW/cm時(shí)定義的特定損耗）后，需要降低峰值磁通量以避免過(guò)熱，從而在該點(diǎn)之外運行將不會(huì )導致其大小顯著(zhù)減小。頻率一定時(shí)，Vitroperm500F可在所有材料中實(shí)現最佳性能。
圖3：48kHz時(shí)的效率和驅動(dòng)損耗，以及原型圖
圖3顯示了測得的效率級，包括采用兩階段解決方案的驅動(dòng)損耗。根據計算得出的損耗分布如下圖曲線(xiàn)所示。該系統可以在沒(méi)有達到臨界溫度或飽和度的情況下達到高電流負載。該兩階段驅動(dòng)解決方案會(huì )將驅動(dòng)損耗降低至輸入功率的0.02％左右。整體損耗更低使得所需的散熱片尺寸減小，且更高的開(kāi)關(guān)頻率允許使用更小的過(guò)濾器元件。所有這些特性最終有助于降低系統成本。
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SIC BJT特性：
SiC BJT的特性可歸結為以下三點(diǎn)：1）有史以來(lái)最高效的1200V功率轉換開(kāi)關(guān)---最低的總損耗，包括開(kāi)關(guān)、傳導及驅動(dòng)器損耗。所有1200V器件中最低的開(kāi)關(guān)損耗（任意RON條件下）；2）簡(jiǎn)單直接的驅動(dòng)----常關(guān)功能降低了風(fēng)險和復雜程度，并減少了限制性能的設計。穩定的基極輸入，對過(guò)壓/欠壓峰值不敏感；3）強健且可靠---額定工作溫度高：Tj=175°C。由于RON具有正溫度系數，增益具有負溫度系數，因此易于并聯(lián)。穩定持久的Vbe正向電壓和反向阻隔能力。
圖4：SIC BJT特性
SIC BJT與SI IGBT比較：
與IGBT相比，飛兆半導體最近開(kāi)發(fā)出的碳化硅(SiC) BJT功率器件可實(shí)現效率和功率密度的大幅提升，無(wú)論在元件還是系統級，這可幫助設計工程師在其設計中滿(mǎn)足成本的要求，以及改善功率密度、可靠性和效率。
SiC BJT可提供更高的開(kāi)關(guān)頻率和更低的損耗，從而可在相同系統尺寸下實(shí)現更高的輸出功率，并降低無(wú)源元件的成本，因為它允許使用更小的電感、電容和散熱器。
SiC BJT可提供目前市場(chǎng)上最低的傳導損耗，因為它的導通電阻每平方厘米只有2.2毫歐姆，它的開(kāi)關(guān)總損耗也是最低的，包括驅動(dòng)器損耗。SiC BJT直流增益大于70。
SiC BJT可提供更高的開(kāi)關(guān)頻率，它開(kāi)與關(guān)之間的轉換時(shí)間只有20ns，而且這一性能與工作溫度無(wú)關(guān)。更重要的一點(diǎn)是，SiC BJT開(kāi)關(guān)轉換時(shí)沒(méi)有尾流。
圖5：SIC BJT與SI IGBT比較
SIC BJT應用領(lǐng)域
今天的很多電子應用諸如可再生能源、工業(yè)控制系統和移動(dòng)電源都要求高效率、小尺寸和重量輕。SiC BJT剛好可以滿(mǎn)足以上要求，與今天的任何其他晶體管（如MOSFET和IGBT）相比，它可提供業(yè)內最高的效率，同時(shí)它還消除了許多尺寸、重量、溫度和效率方面的折中考慮。
在改善效率領(lǐng)域，SiC BJT針對的目標應用包括：太陽(yáng)能逆變器、充電樁、移動(dòng)電源、電機驅動(dòng)、PFC輸入級、DC-AC轉換器、焊接系統和DC-DC轉換器。
與此同時(shí)，SiC BJT的另一大獨特性能優(yōu)勢是它可以在高溫下提供可靠的開(kāi)關(guān)操作，這在油氣鉆探、能量收集、商業(yè)航空、特定的汽車(chē)和工業(yè)設計應用中是至關(guān)重要的。在高溫應用領(lǐng)域，SiC BJT針對的目標應用包括：馬達和渦輪控制、安全監控、高溫馬達驅動(dòng)、高溫執行器控制和高溫DC轉換器。
SIC BJT可實(shí)現低傳導損耗、高擊穿場(chǎng)強度，并且可在更廣泛的溫度范圍內穩定運行。在驅動(dòng)器電路中使用兩個(gè)電源電壓，可降低驅動(dòng)損耗，實(shí)現良好效率。更高的開(kāi)關(guān)頻率允許使用更小的電感器，從而在系統級實(shí)現顯著(zhù)的成本節約。高壓應用（如光伏逆變器）將受益于高功率密度、更低系統成本和簡(jiǎn)易的設計。
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