【導(dǎo)讀】自從寬帶隙 (WBG) 器件誕生以來(lái)，為功率變換應(yīng)用帶來(lái)了一股令人激動(dòng)的浪潮。但是，在什么情況下從硅片轉(zhuǎn)換到寬帶隙技術(shù)才有意義呢？迄今為止，屏蔽柵極 MOSFET、超級(jí)結(jié)器件和 IGBT等基于硅的功率器件已經(jīng)很好地在業(yè)界得到大規(guī)模應(yīng)用。這些器件在品質(zhì)因數(shù) (FoM) 方面不斷改進(jìn)，加上在拓?fù)浼軜?gòu)和開(kāi)關(guān)機(jī)理等方面的進(jìn)步，使工程師能夠?qū)崿F(xiàn)更高的系統(tǒng)效率。
自從寬帶隙 (WBG) 器件誕生以來(lái)，為功率變換應(yīng)用帶來(lái)了一股令人激動(dòng)的浪潮。但是，在什么情況下從硅片轉(zhuǎn)換到寬帶隙技術(shù)才有意義呢？迄今為止，屏蔽柵極 MOSFET、超級(jí)結(jié)器件和 IGBT等基于硅的功率器件已經(jīng)很好地在業(yè)界得到大規(guī)模應(yīng)用。這些器件在品質(zhì)因數(shù) (FoM) 方面不斷改進(jìn)，加上在拓?fù)浼軜?gòu)和開(kāi)關(guān)機(jī)理等方面的進(jìn)步，使工程師能夠?qū)崿F(xiàn)更高的系統(tǒng)效率。工程師堅(jiān)持繼續(xù)使用硅片的最常見(jiàn)原因可能是在這方面擁有豐富的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)。然而，在某些情況下，下一代電源、逆變器和光伏系統(tǒng)的性能要求使WBG器件應(yīng)用成為首選。
在中壓應(yīng)用中，英飛凌的 OptiMOS™ 能夠提供業(yè)界更佳的品質(zhì)因數(shù)。開(kāi)關(guān)電源 (SMPS)、逆變器和電池供電馬達(dá)等需要100～200V MOSFET 的應(yīng)用已經(jīng)在使用這些高頻優(yōu)化器件。然而，隨著人工智能 (AI) 協(xié)處理器等需要巨大電流的邊緣運(yùn)算應(yīng)用越來(lái)越廣泛，對(duì)提升電源供電效率和瞬態(tài)負(fù)載響應(yīng)能力提出了要求。 CoolGaN™可提供明顯優(yōu)于任何同類(lèi)中壓硅器件的 FoM以及零反向恢復(fù)電荷，這使其成為半橋電路的完美選擇。由于其晶體平面生長(zhǎng)特性，使封裝能夠?qū)崿F(xiàn)采用頂部散熱的創(chuàng)新機(jī)制。在 54V 輸入/12V 輸出的降壓變換器中，基于 CoolGaN™ 的設(shè)計(jì)可提供 15A 電流，在500 kHz 開(kāi)關(guān)頻率時(shí)達(dá)到超過(guò) 96.5% 的峰值效率。這比同等OptiMOS™ 5 100V在100 kHz開(kāi)關(guān)頻率下效率提高了1%。
在400～650V范圍內(nèi)的高電壓應(yīng)用也受會(huì)益于 CoolGaN™器件，通過(guò)利用更高開(kāi)關(guān)頻率而實(shí)現(xiàn)的效率提升可提高功率密度，這種特性在空間和重量越來(lái)越寶貴的通訊和服務(wù)器電源中尤為重要。對(duì) 3kW/12V 電源的復(fù)雜帕累托分析（Pareto analysis）表明，CoolGaN™ 技術(shù)可以在大約 67W/in3 的功率密度下提供比超級(jí)結(jié) CoolMOS™ 器件高 0.7% 的效率。這里還要注意的一點(diǎn)是，第一代 GaN 器件目前正處于其技術(shù)路線(xiàn)圖的開(kāi)始階段。研究表明，就單位面積的通態(tài)電阻而言，我們距離其理論極限值還有一個(gè)數(shù)量級(jí)。
TRENCHSTOP™ IGBT 長(zhǎng)期以來(lái)一直是需要 1200V 開(kāi)關(guān)應(yīng)用的主力，并已經(jīng)成為光伏逆變器、SMPS 和汽車(chē)逆變器等應(yīng)用的重要產(chǎn)品。與 MOSFET 一樣，每一代新器件都進(jìn)一步改善了 VCEsat 之間的權(quán)衡。然而，隨著碳化硅（SiC）技術(shù)的出現(xiàn)，CoolSiC™ 等堅(jiān)固的溝槽 MOSFET在傳導(dǎo)和開(kāi)關(guān)損耗方面都具有明顯優(yōu)勢(shì)，因而正在上述應(yīng)用中迅速得到認(rèn)可。硬開(kāi)關(guān)圖騰柱功率因數(shù)校正電路(CCM PFC) 就是一個(gè)例子。CoolSiC™通常可在 100°C 左右溫度下運(yùn)行，隨溫度變化的相對(duì)平坦 RDS(on) 意味著 94mΩ 器件可以在 3.3kW CCM 圖騰柱 PFC 中實(shí)現(xiàn) 99% 的效率。
總體而言，CoolGaN™ 和 CoolSiC™ 都能夠提供更好的 FoM，并且可實(shí)現(xiàn)比同類(lèi)硅器件更高的效率。但是，這些并不是唯一需要考慮的因素，價(jià)格同樣很重要，采用新技術(shù)帶來(lái)的相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)也是如此。GaN 和 SiC 都具有不同的驅(qū)動(dòng)和工作特性，為了充分發(fā)揮這些技術(shù)的潛力，可能還需要新的拓?fù)浼軜?gòu)或控制技術(shù)。
對(duì)于服務(wù)器等應(yīng)用中的圖騰柱 PFC， SiC 和 GaN 器件均可以使用。由于SiC器件的 RDS(on) 溫度相關(guān)性非常低，因此可首選用于 CCM 控制，而 GaN 則在諧振圖騰柱應(yīng)用中具有優(yōu)勢(shì)。在傳統(tǒng)升壓 PFC 中，硅 MOSFET 與 WBG 器件相比，能夠以更低成本實(shí)現(xiàn)理想的系統(tǒng)效率，因而硅 MOSFET仍然是最佳選擇。當(dāng)功率密度非常重要時(shí)，尤其是在輕負(fù)載情況下，CoolGaN™ 具有更低的柵極驅(qū)動(dòng)損耗，使其成為更好的選擇對(duì)象，而CoolSiC™ 則是次優(yōu)選擇，對(duì)于服務(wù)器和電信應(yīng)用的高頻 LLC 設(shè)計(jì)而言尤其如此。在汽車(chē)應(yīng)用領(lǐng)域，我們預(yù)計(jì)車(chē)載充電器、DC-DC 轉(zhuǎn)換器和主逆變器等應(yīng)用對(duì) SiC MOSFET 的需求會(huì)越來(lái)越大。
設(shè)計(jì)人員喜歡更多的選擇方案來(lái)做出最佳設(shè)計(jì)，為了滿(mǎn)足這些需求，英飛凌正在開(kāi)發(fā)多種WBG器件來(lái)補(bǔ)充其業(yè)界領(lǐng)先的硅技術(shù)，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員保留某些硅技術(shù)的同時(shí)，可改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)。然而，當(dāng)時(shí)機(jī)成熟時(shí)，WBG 解決方案將能夠把電源設(shè)計(jì)推向前所未有的高效率和高功率密度。
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