降低能量損耗

預計到2020年，全球電能需求將達到30拍瓦（petawatts）峰值［1］，而在那之后還會進一步增加。電能來源可能是化石燃料或可再生能源，但無論如何，功率轉(zhuǎn)換設備效率對于最大程度地降低成本和電能損耗至關重要。

工業(yè)馬達消耗了全球50％以上能源，但是數(shù)據(jù)中心也非常耗電，而電動汽車（EV）充電正在快速增大負荷。所有這些以及許多其他應用都已經(jīng)促使開發(fā)“更智能”且耗電更少的創(chuàng)新技術，但是相關電源轉(zhuǎn)換器件也須跟上步伐，其損耗需要越來越低。在本文中，我們將回顧能夠?qū)崿F(xiàn)這一目標的寬帶隙半導體技術。

功率轉(zhuǎn)換拓撲架構(gòu)和挑戰(zhàn)

功率轉(zhuǎn)換器設計者的終極目標是以最高效率將來自配電系統(tǒng)（公用事業(yè)AC或DC匯流排）電壓轉(zhuǎn)換為不同DC或AC電平。出于安全或功能層面考慮，可能需要電氣隔離，并且輸出電壓可能要求更高或更低，以及是否經(jīng)過調(diào)節(jié)，但是“開關模式”電源轉(zhuǎn)換技術現(xiàn)已通用。

最初的雙極開關技術已經(jīng)被硅MOSFET所取代，而IGBT仍在主導高電壓/高功率應用，但是當下SiC和GaN已成為轉(zhuǎn)換器拓撲架構(gòu)中強有力競爭者，通常采用“諧振”型以獲得最佳效率，并使用三相電橋用于馬達控制。

無論采用何種拓撲架構(gòu)，由于導通電阻和可能具有高瞬時值的開關轉(zhuǎn)換都會造成損耗累積（圖1）。

圖1：在開關轉(zhuǎn)換期間，MOSFET峰值功耗可能在kW范圍內(nèi)。

半導體中的開關損耗與每秒轉(zhuǎn)換次數(shù)成比例，因此低頻率下?lián)p耗更小。但是，較高頻率允許使用體積更小、重量更輕且成本更低的電感器和電容器等被動元件，因此在實際中，開關頻率選擇是一個折衷方案，范圍可以從馬達驅(qū)動器的幾kHz到數(shù)據(jù)中心等尺寸非常關鍵DC-DC轉(zhuǎn)換的幾個MHz。

開關轉(zhuǎn)換期間的大量功耗是由對器件電容COSS進行充電和放電所需能量EOSS引起。因此，EOSS和COSS以及導通電阻RDS（ON）都是關鍵參數(shù)。導通電阻與管芯面積乘積RDS（ON）?A是總損耗的品質(zhì)因數(shù)（FOM），電容及其相關開關損耗隨管芯面積減小而降低。

寬帶隙半導體介紹

SiC和GaN等寬帶隙（WBG）半導體需要相對較高能量才能將電子從其“價帶”移動到“導帶”。高帶隙值會導致更高臨界擊穿電壓和更低漏電流，尤其是在高溫下。WBG器件還具有更好電子飽和速度，從而導致更快開關，而SiC具有特別好導熱性。在圖2中將寬帶隙特性與硅器件進行了比較，在所有情況下，值都是越高越好。

圖2：寬帶隙材料特性與硅比較。

對于給定厚度，寬帶隙材料臨界擊穿電壓值比Si高10倍左右，因此SiC漂移層可以薄10倍，摻雜濃度可以是10倍。寬帶隙材料與Si比較，具有比Si低很多的導通電阻，并且相應降低了相同管芯面積的損耗。由于SiC具有高導熱性，所以管芯可以非常小，因而具備出眾RDS（ON）?A（FOM）。圖3是在650V下SiC MOSFET、GaN HEMT單元、Si MOSFET和IGBT的RDS（ON）?A比較。

圖3：在同樣電壓下寬帶隙和硅技術之間RDS（ON）?A（FOM）比較。

SiC和GaN大大降低了對柵極驅(qū)動功率要求。Si MOSFET和IGBT特別需要大量柵極電荷才能有效開關。對于較大IGBT，這可能需要數(shù)瓦驅(qū)動功率，從而導致系統(tǒng)損耗。對于WBG器件，即便在高頻下，損耗僅是毫瓦級。

WBG器件還有其它優(yōu)勢：比較硅器件，可以在更高溫度下工作，最高可超過500℃。盡管封裝限制了實際操作值，但高峰值容量顯示了可用余量。與硅器件比較，WBG柵極泄漏和導通電阻隨溫度的變化也要小很多。

寬帶隙技術進展

WBG器件成本一直高于硅，但卻在逐步降低，而連鎖式系統(tǒng)的優(yōu)勢在很大程度上抵消了這一點。例如，隨著效率提高，其他部件（例如散熱器）以及濾波器中電感器和電容器尺寸、重量和成本也相應減小。更快開關速度，對負載變化的更快響應和更平滑馬達控制也使系統(tǒng)功能和性能受益。

總體而言，利用WBG器件帶來的優(yōu)勢可以將它們用于電源轉(zhuǎn)換的任何新應用，設備制造商也在不斷完善技術，從而使器件易于使用且堅固耐用，尤其是在諸如短路和過電壓等故障條件下。例如，英飛凌（Infineon）公司選擇了一種溝槽架構(gòu)（見圖4左），可在低柵極電場強度下實現(xiàn)低溝道電阻，從而提高了柵極氧化物界面可靠性。英飛凌公司的增強型GaN高電子移動率電晶體（HEMT）器件采用平面架構(gòu)（見圖4右），并且與SiC MOSFET不同，它們沒有體二極管（（body diodes）），使其特別適合于“硬開關”應用。 GaN器件額定電壓為600V，而SiC額定電壓則為1200V或更高，但在特定電壓額定值下，GaN RDS（ON）理論極限約比SiC好10倍。

圖4：SiC和GaN器件典型架構(gòu)。

意法半導體（STMicroelectronics）介紹其1200V SiC MOSFET具有業(yè)界最高額定溫度200℃，并且在整個溫度范圍內(nèi)具有同類領先的極低導通電阻。非常快速且堅固的體二極管不再需要外部二極管，從而節(jié)省了馬達驅(qū)動器等應用中的換向電路空間和成本。

羅姆（ROHM）公司在SiC MOSFET市場中也有產(chǎn)品供貨，其最新器件具備高成本效益和突破性能。羅姆據(jù)稱開發(fā)了業(yè)界首款具有共封裝（co-packaged）的反平行SiC肖特基屏障（Schottky barrier）二極管的SiC MOSFET，可滿足要求苛刻的換向開關應用，其中并聯(lián)二極管較低正向壓降（1.3V）導致?lián)p耗低在4.6時體二極管。

寬帶隙市場的另一家公司GaN Systems則專注于其獲得專利的封裝技術，從而最大限度地利用GaN速度和低導通電阻。其“島嶼技術（Island Technology）”將HEMT單元矩陣與橫向布置金屬條垂直連接，以降低電感、電阻、尺寸和成本。此外，該公司GaNPX封裝技術無需引線鍵合，可提供最佳的熱性能，高電流密度和低外形。

GaN市場另一先驅(qū)松下（Panasonic）推出了具有專利技術的X-GaNTM器件，以實現(xiàn)“常關”操作而不會出現(xiàn)GaN中的“電流崩塌”現(xiàn)象，這種效應源于漏極和源極之間捕獲電子在施加高壓期間可以瞬時增加導通電阻，可能導致設備故障（圖5）。Panasonic的柵極注入電晶體（GIT）技術產(chǎn)生了真正的“常關” GaN器件，可采用與Si MOSFET電平兼容的柵極電壓來驅(qū)動。

圖5：Panasonic GaN單元沒有“電流崩塌”出現(xiàn)。

結(jié)論

寬帶隙器件在功能層面勝過硅，但目前的應用障礙主要是成本、易用性和可靠性。寬帶隙器件制造商已經(jīng)解決了這些問題，大規(guī)模生產(chǎn)已成為現(xiàn)實，并且在所有市場領域中都展示了非常有前途的應用。采用SiC和GaN技術實現(xiàn)的寬帶隙器件可從mouser.com獲得。

編輯：hfy