【導(dǎo)讀】如果詢問任何功率電子器件設(shè)計師他們追求什么,轉(zhuǎn)換效率通常都會名列前茅。高效率不僅能節(jié)能,還有附帶好處,即打造更小、更輕、更便宜的產(chǎn)品,而釋放的空間還可用于提高可靠性和增加功能。實際上有些應(yīng)用受益匪淺,如電動車,它的單次充電行駛里程會有所提高,還有數(shù)據(jù)中心,其中的電子器件和必要空調(diào)的能耗是一大問題,目前占全球能源需求的1%以上。
如果詢問任何功率電子器件設(shè)計師他們追求什么,轉(zhuǎn)換效率通常都會名列前茅。高效率不僅能節(jié)能,還有附帶好處,即打造更小、更輕、更便宜的產(chǎn)品,而釋放的空間還可用于提高可靠性和增加功能。實際上有些應(yīng)用受益匪淺,如電動車,它的單次充電行駛里程會有所提高,還有數(shù)據(jù)中心,其中的電子器件和必要空調(diào)的能耗是一大問題,目前占全球能源需求的1%以上。
功率轉(zhuǎn)換效率提高了電動車的可行性
電動車是車輪上的數(shù)據(jù)中心,具有工業(yè)規(guī)模的電動機控制(圖1),它的可行性取決于牽引逆變器和充電電路的效率。效率每提高一個百分點都能促進(jìn)散熱需求降低、重量減輕、單次充電行駛里程增加和成本降低,這構(gòu)成了一個良性循環(huán)。
圖1:典型的電動車功率轉(zhuǎn)換元件
鋰離子電池是電動車的心臟所在,它可以是48V,用于輕度混合動力,也可以達(dá)到500-800V,實現(xiàn)完全電動。電動車中有車載交直流充電器,它通常雙向?qū)щ?,可以將多余的能量返回到電網(wǎng)中賺錢,還有多種輔助直流轉(zhuǎn)換器,用于為保障安全舒適的設(shè)備供電,當(dāng)然也少不了牽引逆變器,它也有雙向電流,可利用剎車或慣性滑行中的再生能量。
電動車功率轉(zhuǎn)換中的半導(dǎo)體開關(guān)壓倒性地決定了損耗,而在牽引逆變器中,IGBT可能是個好選擇,盡管IGBT只能在低頻下實現(xiàn)高效開關(guān)。然而以前,這并不是一個大問題,因為交流電動機可以在10kHz或更低頻率的驅(qū)動下充分運行。不過,提高頻率能帶來一些好處,能讓電動機控制更加順暢,能實現(xiàn)更符合正弦波的驅(qū)動,從而降低鐵損和電動機磨損。接近恒定的飽和電壓可以讓IGBT保持低導(dǎo)電損耗,但是寬帶隙開關(guān),尤其是碳化硅(SiC),異軍突起,其導(dǎo)通損耗極低,因而現(xiàn)具有強大的競爭力,還能隨意并聯(lián),進(jìn)一步降低損耗。FET和MOSFET等SiC器件還滿足雙向電流要求,因為在配置成開關(guān)或同步整流器后,它們可以向任意方向?qū)щ?。IGBT則不能反向?qū)щ姡枰粋€損耗不菲的并聯(lián)二極管才能實現(xiàn)此功能。
隨著功率要求的提高,電動車充電器和輔助直流轉(zhuǎn)換器也逐漸被納入能耗計算范疇中,而它們能直接從使用小磁性元件實現(xiàn)的更高頻率開關(guān)中獲益。一直以來,開關(guān)都使用硅超結(jié)MOSFET,但是寬帶隙器件有著更高的邊沿速率并能降低導(dǎo)通電阻,現(xiàn)可實現(xiàn)有用的效率增益。
新的功率轉(zhuǎn)換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能盡量提高數(shù)據(jù)中心的效率
雖然數(shù)據(jù)中心對能量的需求前所未有地多,但是高效功率轉(zhuǎn)換器和配電方案的推出使得該需求從2010年到2018年實際上僅增加了約6%,而同期的互聯(lián)網(wǎng)流量增加了10倍,存儲量增加了20倍。
在無橋圖騰柱PFC級(TPPFC)和諧振移相全橋與“LLC”直流轉(zhuǎn)換器等高效拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的幫助下,數(shù)據(jù)中心的交直流轉(zhuǎn)換器現(xiàn)在基本都能達(dá)到“80+鈦金”標(biāo)準(zhǔn),即在230V交流電和50%負(fù)載下,能效至少達(dá)到96%。這些電路傳統(tǒng)上采用硅MOSFET開關(guān)實現(xiàn),現(xiàn)在則因采用寬帶隙器件而獲益,這些器件的導(dǎo)電損耗和動態(tài)損耗都較低。事實上,由于存在體二極管反向恢復(fù)損耗,在高頻和大功率下采用硅MOSFET實現(xiàn)TPPFC布置是不可行的。采用SiC或氮化鎵(GaN)則可以解決這個問題。
數(shù)據(jù)中心使用的配電方案也有所改進(jìn),以提升效率(圖2)。交直流轉(zhuǎn)換器帶來的“中間總線”用于在更高電壓(通常為385V直流電)下傳輸電力,然后電力會被隔離,并轉(zhuǎn)換為48V,與備用電池一起實現(xiàn)更多的本地配電,之后電力流經(jīng)隔離或非隔離的車載“負(fù)載點”轉(zhuǎn)換器,以進(jìn)入最終轉(zhuǎn)換級。
圖2:數(shù)據(jù)中心配電布置
高效功率轉(zhuǎn)換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
現(xiàn)代高效轉(zhuǎn)換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都可以歸為衍生出“降壓”和“升壓”功能的兩個基本類別,在絕緣版本中則稱為“正激”和“反激”。它們都能在“硬”或“軟”(諧振)開關(guān)模式下運行,并具有至少一個開關(guān)和整流器,在極為負(fù)載的多電平電路中,每個拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也可能有數(shù)十個開關(guān)和整流器。
采用具有較低導(dǎo)通電阻的開關(guān)并用同步整流器替代二極管就能盡可能降低導(dǎo)電損耗,通常用MOSFET實現(xiàn)。理論上,通過并聯(lián)零件可以任意降低導(dǎo)電損耗。電壓/電流疊加、二極管反向恢復(fù)能量和器件電容充電/放電造成的開關(guān)損耗則比較難以控制,并會隨著頻率提高而提高,且成正比。這阻礙了硅MOSFET在非常高的頻率下的使用,在這種情況下,我們的目標(biāo)是大幅減小磁性元件的體積。對于部分“零壓開關(guān)”(ZVS)或“零電流開關(guān)”(ZCS)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)而言,在諧振模式下運行是一種解決辦法,但是必須要小心確保在瞬態(tài)或過載條件下不會發(fā)生具有破壞性的高損耗“硬”開關(guān)。在這種情況下,寬帶隙器件可以憑借其無論如何都比硅低的動態(tài)損耗提供一些安全裕度。
實際上,部分轉(zhuǎn)換級必須采用“硬開關(guān)”,如上文提到的TTPFC,它在大功率和“連續(xù)導(dǎo)電”模式下運行,以將峰值電流和組件應(yīng)力保持在合理范圍內(nèi)。此時,寬帶隙器件的價值無法估量。
高效拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的示例——LLC轉(zhuǎn)換器
LLC轉(zhuǎn)換器(圖3)很好地詮釋了高效轉(zhuǎn)換器?!癓LC”這個名稱得自構(gòu)成諧振回路的一次電路中的兩個電感器和一個電容器。
圖3:LLC轉(zhuǎn)行器略圖
在變壓器T1中,L1是獨立的或受控的漏電感,第二個電感器是T1的一次側(cè)電感器。在反相和可變頻率下,Q1和Q2以50%的占空比驅(qū)動,為回路提供方波驅(qū)動。在回路的諧振頻率下,阻抗極低,會有盡可能多的能量通過變壓器行為傳遞到輸出端。如不采用諧振,電感器或電容的阻抗會較高,傳輸?shù)哪芰恳草^少。對于恒定的輸出負(fù)載,這意味著可以通過改變驅(qū)動頻率有效控制輸出電壓。實際上,設(shè)定的名義頻率會高于諧振頻率,這讓回路“電感十足”,以至于Q1和Q2都自然而然地出現(xiàn)了零壓開關(guān),實現(xiàn)了低損耗。變壓器一次側(cè)和二次側(cè)電流呈正弦波,因此輸出二極管實現(xiàn)零電流開關(guān)。由于發(fā)生多重諧振,LLC的控制非常復(fù)雜,但是它可以在非常高的頻率下運行。
損耗描述
很難說給定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、頻率和負(fù)載范圍采用哪種開關(guān)技術(shù)最好,因而“品質(zhì)因數(shù)”(FOM)會很有用。其中一個是RDS(ON).A,器件導(dǎo)通電阻與晶粒面積的乘積。它有用地表明了給定晶粒體積與導(dǎo)電損耗的關(guān)系,即始終可以通過提高晶粒體積降低導(dǎo)通電阻,但是電容、開關(guān)損耗和成本也會隨之增加,而單晶圓的產(chǎn)量則會下降。性能表征RDS(ON).EOSS是另一個指標(biāo),結(jié)合了導(dǎo)電損耗和開關(guān)損耗,開關(guān)損耗是由器件輸出電容內(nèi)存儲的能量造成的,該指標(biāo)對“硬”開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)十分重要。在Si-MOSFET中,EOSS可能很高并且可變,而在相同導(dǎo)通電阻和器件電壓級下,在SiC MOSFET中則較低,在SiC FET共源共柵結(jié)構(gòu)中的值也較低。SiC FET是SiC JFET和Si-MOSFET的共源共柵結(jié)構(gòu)。另一個重要參數(shù)是在開關(guān)中任何體二極管效應(yīng)的反向恢復(fù)能量,它在硬開關(guān)條件下會造成顯著耗損。SiC MOSFET的一些值很低,但是增益會被抵消,因為二極管前向壓降高,如果因“換向”而在開關(guān)“死區(qū)”時間內(nèi)導(dǎo)電,這會造成耗損增加。比較而言,SiC FET共源共柵結(jié)構(gòu)的二極管恢復(fù)能量更低,前向壓降也低得多。GaN器件沒有恢復(fù)效應(yīng),通過溝道反向?qū)щ姡窃趽Q向條件下壓降高,且壓降取決于柵極驅(qū)動電壓等級。
各種開關(guān)類型的溝道影響和反向?qū)щ姄p耗都可以用性能表征RDS(ON).Qrr來描述,而一個在高頻軟開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中表示性能的指標(biāo)是性能表征RDS(ON).COSS(tr),其中的tr表示“與時間相關(guān)”。
比較開關(guān)技術(shù)
在高頻轉(zhuǎn)換器方面,之前提到了硅超結(jié)MOSFET、SiC MOSFET、GaN HEMT單元和SiC FET共源共柵結(jié)構(gòu)。表1中總結(jié)了在相同電壓和器件電流級下它們的性能表征的比較結(jié)果。
表1:在650V/20A等級下比較開關(guān)特征
從表中可以看出,與硅相比,SiC MOSFET和GaN具有損耗方面的優(yōu)勢,不過在上述示例中,它們的雪崩能量額定值和到殼的熱阻比較差。然而,UnitedSiC制造的SiC FET具有更好或相同的性能表征,在所述等級下,導(dǎo)通電阻顯著降低,并且由于銀燒結(jié)晶粒連接方式和晶圓減薄技術(shù),到殼的熱阻也好得多。
SiC FET的另一個優(yōu)勢是,與其他寬帶隙技術(shù)相比,它的柵極驅(qū)動很簡單。SiC MOSFET需要大約18V的柵極驅(qū)動才能實現(xiàn)全面增強,與絕對最大值非常接近,而柵極閾值是可變的,受遲滯影響,并影響短路耐受性。GaN的柵極閾值電壓低,絕對最大值差不多低,因而必須小心驅(qū)動以免瞬態(tài)和短路造成電壓過應(yīng)力,在存在高dV/d和di/dt波形時,電壓過應(yīng)力非常危險。
在比較中,SiC FET可以使用標(biāo)準(zhǔn)硅MOSFET或IGBT柵極驅(qū)動在典型的0-12V電壓下驅(qū)動,且距離最大絕對值有很大的裕度。該閾值穩(wěn)定,表明沒有遲滯,且柵極電壓不會影響固有的SiC FET短路耐受額定值。
UnitedSiC的“第四代”SiC FET現(xiàn)在的開關(guān)速度極快,以致于在需要控制邊沿速率以盡量減小過沖和EMI時,這可能會成為一個實際問題。然而,UnitedSiC已經(jīng)表明簡單的低損耗緩沖電路是一個有效解決方案。一個新發(fā)展是采用自由JFET柵極的SiC FET共源共柵結(jié)構(gòu),它允許更好地控制開關(guān)速度,而將共源共柵的Si-MOSFET一同封裝則仍允許在啟動、關(guān)閉和故障條件下實現(xiàn)常關(guān)型運行。
結(jié)論
寬帶隙半導(dǎo)體技術(shù)為實現(xiàn)更高效的功率轉(zhuǎn)換打開了大門。UnitedSiC生產(chǎn)的SiC FET走在最前沿,各方面的性能表征都十分出色。
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