【導(dǎo)讀】自從寬帶隙 (WBG) 器件誕生以來，為功率變換應(yīng)用帶來了一股令人激動的浪潮。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，加上在拓撲架構(gòu)和開關(guān)機理等方面的進步，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，為功率變換應(yīng)用帶來了一股令人激動的浪潮。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，加上在拓撲架構(gòu)和開關(guān)機理等方面的進步，使工程師能夠?qū)崿F(xiàn)更高的系統(tǒng)效率。工程師堅持繼續(xù)使用硅片的最常見原因可能是在這方面擁有豐富的知識和經(jīng)驗。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)。開關(guān)電源 (SMPS)、逆變器和電池供電馬達等需要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算應(yīng)用越來越廣泛，對提升電源供電效率和瞬態(tài)負載響應(yīng)能力提出了要求。 CoolGaN™可提供明顯優(yōu)于任何同類中壓硅器件的 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特性，使封裝能夠?qū)崿F(xiàn)采用頂部散熱的創(chuàng)新機制。在 54V 輸入/12V 輸出的降壓變換器中，基于 CoolGaN™ 的設(shè)計可提供 15A 電流，在500 kHz 開關(guān)頻率時達到超過 96.5% 的峰值效率。這比同等OptiMOS™ 5 100V在100 kHz開關(guān)頻率下效率提高了1%。
在400～650V范圍內(nèi)的高電壓應(yīng)用也受會益于 CoolGaN™器件，通過利用更高開關(guān)頻率而實現(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越寶貴的通訊和服務(wù)器電源中尤為重要。對 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結(jié) CoolMOS™ 器件高 0.7% 的效率。這里還要注意的一點是，第一代 GaN 器件目前正處于其技術(shù)路線圖的開始階段。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數(shù)量級。
TRENCHSTOP™ IGBT 長期以來一直是需要 1200V 開關(guān)應(yīng)用的主力，并已經(jīng)成為光伏逆變器、SMPS 和汽車逆變器等應(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™ 等堅固的溝槽 MOSFET在傳導(dǎo)和開關(guān)損耗方面都具有明顯優(yōu)勢，因而正在上述應(yīng)用中迅速得到認可。硬開關(guān)圖騰柱功率因數(shù)校正電路(CCM PFC) 就是一個例子。CoolSiC™通常可在 100°C 左右溫度下運行，隨溫度變化的相對平坦 RDS(on) 意味著 94mΩ 器件可以在 3.3kW CCM 圖騰柱 PFC 中實現(xiàn) 99% 的效率。
總體而言，CoolGaN™ 和 CoolSiC™ 都能夠提供更好的 FoM，并且可實現(xiàn)比同類硅器件更高的效率。但是，這些并不是唯一需要考慮的因素，價格同樣很重要，采用新技術(shù)帶來的相關(guān)風險也是如此。GaN 和 SiC 都具有不同的驅(qū)動和工作特性，為了充分發(fā)揮這些技術(shù)的潛力，可能還需要新的拓撲架構(gòu)或控制技術(shù)。
對于服務(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。在傳統(tǒng)升壓 PFC 中，硅 MOSFET 與 WBG 器件相比，能夠以更低成本實現(xiàn)理想的系統(tǒng)效率，因而硅 MOSFET仍然是最佳選擇。當功率密度非常重要時，尤其是在輕負載情況下，CoolGaN™ 具有更低的柵極驅(qū)動損耗，使其成為更好的選擇對象，而CoolSiC™ 則是次優(yōu)選擇，對于服務(wù)器和電信應(yīng)用的高頻 LLC 設(shè)計而言尤其如此。在汽車應(yīng)用領(lǐng)域，我們預(yù)計車載充電器、DC-DC 轉(zhuǎn)換器和主逆變器等應(yīng)用對 SiC MOSFET 的需求會越來越大。
設(shè)計人員喜歡更多的選擇方案來做出最佳設(shè)計，為了滿足這些需求，英飛凌正在開發(fā)多種WBG器件來補充其業(yè)界領(lǐng)先的硅技術(shù)，使系統(tǒng)設(shè)計人員保留某些硅技術(shù)的同時，可改進產(chǎn)品設(shè)計。然而，當時機成熟時，WBG 解決方案將能夠把電源設(shè)計推向前所未有的高效率和高功率密度。
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