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用于下一代功率系统设计的宽带隙技术

2021-04-12 Paul Lee为贸泽电子撰写 阅读:
在所有功能方面,宽带隙器件都能够胜过硅,现在应用宽带隙器件的主要障碍是成本、易用性和所需要的可靠性。

迫在眉睫问题:降低耗能生热

目前,全球对电能需求处于惊人的高水平,根据国际能源署(International Energy Agency)预测,2020年全球电能需求将接近30皮瓦(petawatt) [1]。对于我们这些只能使用大约几个kW烤面包机功率的人来说,这几乎是一个难以理解的数字。而且,考虑到亚洲经济的快速发展,该数字还将注定快速增大,当然,这其中重点是增加对可再生资源的需求利用,以减轻气候变化的影响。在太阳能、风能和其他绿色能源转换为热能之前将能量收集,并转化为电力应该没有净增暖作用,但是矿物燃料仍然是主要能源,本应该“锁定”的能量被以热量释放。因此,至关重要的是,提高从原始矿物到有用能量的转换效率,避免更多的能量流失到环境,并节省运营成本。vbNednc

目前,能源主要应用在工业过程中,尤其是驱动马达应用,其次数据中心则紧追其后,而电动汽车充电的需求在未来几年将会激增。这些应用伴随从家用电器到手机充电器等许多其他应用,都已经在采用技术创新途经,以最大限度地降低功耗,这其中通常使用的是“智能”技术,例如马达的变频驱动器。这就需要使用电子电源,并且关注的重点也是看这些应用如何展现出更低的转换损耗。在本文中,我们将探讨设计人员如何在充分利用半导体开关技术,使高效功率转换器更易于实现。vbNednc

电源转换挑战和拓扑架构

我们通常都在说“电源转换器”,但这有点用词不当,理想的情况是从设备获得与输入完全相同的功率输出。这是电源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)转换为不同的直流电压,有时甚至转换为交流电压,所有这些都不会因为产生废热而消耗电能。出于安全或功能方面的考虑,有时需要通过变压器耦合进行电隔离。无论是否进行主动调节,输出电压可高于或低于输入电压,但在所有应用场景下,“开关模式”技术都已经无处不在。vbNednc

多年来,业内所使用的半导体开关已从双极型发展到硅MOSFET,如今,在IGBT中使用SiC和GaN器件被广泛用于高压/大功率应用。转换器的拓扑架构也得到了改进,在高功率多开关半桥或全桥配置中,最高效的是“谐振”型电路。现在,使用IGBT或MOSFET的三相电桥通常为电机驱动产生交流电。vbNednc

在所有这些拓扑中,理想的开关在导通或关断时都不会消耗任何功率,理想的电感器、变压器或电容器也不会消耗热量,因此转换器设计重点是使用性能最接近理想条件的组件,同时最大程度地减少瞬变耗散条件,例如开关在导通和关断状态之间的转换。在现代设计中,这些“开关”损耗是最重要的考虑因素,并且可能具有很高的峰值(见图1)。vbNednc

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图1:MOSFET的峰值功耗在开关转换期间能够达到kW级别。vbNednc

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,低频更好。随着频率的增加,磁性元件的磁芯损耗也随之增加,但是它们的尺寸、重量和成本以及铜损也随之降低,因此所选频率是一个折衷方案,可以从马达驱动器中的几kHz到几MHz,例如在电信应用中,尺寸问题需要优先考虑,需要选择几MHz的频率。vbNednc

最新的SiC和GaN宽带隙(wide-bandgap)器件具有非常高的固有开关速度,甚至高到无法测量其值。但是,器件内部及其周围的寄生电容会将其速度降低到纳秒范围。因此,器件输出电容COSS,以及对其进行充电和放电所需的能量EOSS是重要的品质因数(FOM),MOSFET的导通电阻RDSON也很重要,尤其在大电流更至关重要。导通电阻与管芯面积的乘积RDSON•A是总损耗的另一个重要品质因数,因为随着管芯面积减小,电容及其相关的开关损耗也会降低。vbNednc

宽带隙半导体简介

我们首先回顾一下“宽带隙”(WBG)器件的含义。宽带隙是指碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)等半导体器件,其中需要相对较高的能量才能将电子从原子“价(valence)”带移动到其“导(conduction)”带,在导带电子可用于电流流动。“带隙”的量度是电子伏特(eV),硅(Si)的带隙值约为1.1eV,而SiC为3.2eV,GaN为3.4eV。高带隙值可提供更高临界击穿电压和更低泄漏电流,尤其是在高温下更是如此。宽带隙器件还具有更好的电子饱和速度,从而可以更快地开关。SiC还具有特别好的导热性,在图2的雷达图中,将SiC、GaN的属性与硅进行了比较,在所有情况下,值越高,越靠近图表边缘越好。vbNednc

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图2:宽带隙材料特性与硅材料比较。vbNednc

图2显示,对于给定厚度,SiC临界击穿电压要比Si高10倍左右,这意味着其漂移层可以薄10倍,掺杂浓度可以是Si的10倍。对于相同阻断电压,其导通电阻比Si低很多,并且与Si相比,在相同管芯面积上的损耗也相对较低。加上SiC极高的导热性,意味着可以实现非常小的芯片,从而具有很好的RDSON•A品质因数值。图3显示了IGBT、Si-MOSFET、SiC MOSFET和GaN HEMT器件在特定电压等级上的RDSON•A品质因数比较。vbNednc

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图3:宽带隙器件和硅技术在同等器件电压下RDSON•A品质因数比较。vbNednc

我们看到,由于可以采用更小的芯片尺寸,这减小了宽带隙器件的电容,可实现更快的开关速度,另一个结果是大大降低了栅极驱动器的功率要求。传统上,尤其是用于MOSFET和IGBT硅器件具备较大的栅极电荷值,以便实现更高效率的开关。对于IGBT而言,有时约为微库仑量级,对于功率MOSFET而言,约为数百纳库仑。这就需要较大的驱动功率,对于较大的IGBT,功率约为数瓦级,从而造成了系统极大的损耗。对于宽带隙器件,即便在高频下,该值也可能仅为毫瓦级。vbNednc

宽带隙器件还有其它更多优势。例如,与硅器件相比,它们能够固有地在更高温度下工作,一些制造商声称其器件可在超过500℃峰值下工作。尽管实际上器件封装将温度限制在较低值,但其高峰值温度运行能力可为克服瞬态应力提供更坚实的信心。相较硅器件,宽带隙器件栅极漏电流和导通电阻等重要参数随温度变化也要低很多,宽带隙技术甚至能够使器件更耐辐射,适用于航空航天等高可靠性应用。vbNednc

宽带隙器件发展近况

在把宽带隙器件的潜在性能与IGBT和Si-MOSFET进行比较后,可以看出采用宽带隙器件具有非常令人信服的理由。然而这些IGBT和Si-MOSFET器件仍在功率开关市场中占主导地位,并且随着新一代器件的使用而不断完善。作为一种新技术,宽带隙器件的初始成本高于硅,但一直在降低,而一连串的系统优势会在很大程度上抵消成本问题。例如,宽带隙器件可以显著提高系统效率,同时减小系统尺寸和重量,用于散热以及输出和电磁兼容(EMC)滤波的电感器和电容器等其他组件成本也相应降低。例如,通过更快的开关速度,对负载变化的更快响应一及更平滑的马达控制,系统性能也可以得到改善。vbNednc

宽带隙器件制造商可以证明,总体而言,使用宽带隙器件的价值在于可将其用于功率转换的所有新应用,而且他们已投入大量精力来完善技术,以使部件易于使用而且牢固可靠,特别是在应对马达驱动器中常见的短路和过压等故障方面非常有效。例如, Infineon展示了其SiC MOSFET栅极氧化物界面的可靠性,如果存在缺陷,它可能会失效,或者至少会降低沟道迁移率和导通电阻。作为一种有效的解决方案,Infineon选择了一种沟槽架构(见图4左),可以在低栅极电场强度下实现低沟道电阻。Infineon的GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)器件采用平面架构(见图4右),与SiC MOSFET不同,HEMT没有体二极管(body diodes),因此特别适合“硬开关”应用。该架构被设计为与SiC MOSFET一样在增强模式下工作,但是与它们不同的是,由于没有栅极绝缘,因此只需要很小的栅极电流来保持器件导通。导通态栅极阈值电压也很低,通常约为1.4V。 GaN器件的额定电压为600V,而SiC则为1200V甚至更高,但在特定电压额定值下,GaN RDSON的理论极限值与SiC相比要好大约10倍。vbNednc

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图4:SiC和GaN器件的典型架构。vbNednc

STMicroelectronics表示其SiC MOSFET器件具有业界最高的额定温度值,在1200V可达200℃,在整个温度范围内具有同类产品领先的极低导通电阻,以及非常快速且牢固的体二极管。在需要换向的电路(例如马达驱动器)中可以避免采用外部二极管,从而节省了空间和成本。vbNednc

ROHM也是SiC MOSFET市场的主要供应商之一,其最新器件可提供具有成本效益的突破性性能。 ROHM据称开发了业界首款具有共封装(co-packaged)反并联SiC肖特基势垒二极管的SiC MOSFET,可满足要求苛刻的换向开关应用,其中1.3V并联二极管正向压降更低,因而相较4.6V体二极管损耗更低。vbNednc

ROHM与宽带隙领域的另一家公司GaN Systems已经建立合作。 GaN Systems专注于开发专利的封装技术,可最大限度地利用GaN的速度和低导通电阻。其“岛屿技术(Island Technology)”是将HEMT矩阵垂直连接横向布置金属条,能够减小电感、电阻、尺寸和成本,无引线键合GaNPX封装技术也可提供最佳的热性能、高电流密度和低矮外形尺寸。vbNednc

松下(Panasonic)是GaN市场的另一家领先厂商,它采用专利技术的X-GaNTM器件可实现“常关”运行而不会出现“电流崩塌(current collapse)”,这是GaN的一种效应,在高压应用中,漏极和源极之间捕获的电子可以瞬时增大导通电阻,有可能导致器件故障(见图5)。Panasonic的栅极注入晶体管(GIT)技术也是一项重大进步,能够构建出一种真正的“常关” GaN器件,该器件可以采用类似于Si MOSFET的栅极电压来驱动。vbNednc

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图5:Panasonic 的GaN器件没有“电流崩塌”现象。vbNednc

结论

在所有功能方面,宽带隙器件都能够胜过硅,现在应用宽带隙器件的主要障碍是成本、易用性和所需要的可靠性。随着宽带隙器件在航空航天到高能效马达和电动车驱动器,再到效率和体积非常关键的普通商用电源适配器等越来越广泛领域得到应用,大规模生产业已成为现实,市场上的主要供应商已经解决了所有上述问题。这里介绍制造商所提供的SiC和GaN宽带隙器件均可从mouser.com获取。vbNednc

参考资料

[1] 国际能源署, “各个行业的电力需求及应用场景,2018–2040,” 国际能源署,巴黎。 https://www.iea.org/data-and-statistics/charts/electricity-demand-by-sector-and-scenario-2018-2040vbNednc

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