【導(dǎo)讀】更高的效率無(wú)疑是一個(gè)優(yōu)勢(shì)，但是有時(shí)候“更高”的陳述是不準(zhǔn)確的，比如：家庭電子器件散發(fā)“更高”的熱量可以減輕您的中央供暖工作在寒冷氣候中的工作量，也許會(huì)帶來(lái)能量使用和成本方面的整體好處，還可以采用效率相對(duì)低效的鍋爐。如果用“更高”來(lái)描述白熾燈，它可以在您需要溫暖時(shí)成為非常高效的加熱器。
以往，功率轉(zhuǎn)換器效率的提高是難以實(shí)現(xiàn)和測(cè)量的。SiC FET則能保證讓所有設(shè)計(jì)都能得到提高。
更高的效率無(wú)疑是一個(gè)優(yōu)勢(shì)，但是有時(shí)候“更高”的陳述是不準(zhǔn)確的，比如：家庭電子器件散發(fā)“更高”的熱量可以減輕您的中央供暖工作在寒冷氣候中的工作量，也許會(huì)帶來(lái)能量使用和成本方面的整體好處，還可以采用效率相對(duì)低效的鍋爐。如果用“更高”來(lái)描述白熾燈，它可以在您需要溫暖時(shí)成為非常高效的加熱器。
不過(guò)另一些用戶確實(shí)看到了巨大的好處。在熱帶和亞熱帶，“更高”的熱量會(huì)增加空調(diào)的工作量，從而增加成本。比如數(shù)據(jù)中心目前消耗的電量占全球電力需求的1%以上，而每個(gè)百分比的能效提高都代表巨大的成本節(jié)省和減少環(huán)境影響。有時(shí)候，效率“更高”會(huì)達(dá)到“臨界點(diǎn)”，從該點(diǎn)開(kāi)始，好處會(huì)成倍增加。以電動(dòng)車為例，改進(jìn)意味著功率轉(zhuǎn)換器更小更輕，從而會(huì)導(dǎo)致能量需求更小，單次充電行駛里程更長(zhǎng)。
因此，工程師們對(duì)于提高幾個(gè)小數(shù)點(diǎn)的能效有著不懈的追求，他們常常要判斷冒險(xiǎn)采用有望帶來(lái)一點(diǎn)改進(jìn)卻不熟悉的新拓?fù)湓O(shè)計(jì)，能否在某些任意時(shí)間尺度上帶來(lái)總體擁有成本降低。在提高效率時(shí)，工程師們還要安慰自己，還有一種提高更困難，如果效率已經(jīng)達(dá)到99.5%左右，則在測(cè)量功率輸入和輸出時(shí)，一個(gè)已經(jīng)很好的±0.1%誤差就可能意味著計(jì)算得到的損耗會(huì)比實(shí)際損耗多或少40%。如果輸入功率為交流電，有失真，且功率因數(shù)不夠完美，同時(shí)直流功率輸出具有殘余噪聲分量，可讓數(shù)字式電壓表出錯(cuò)，則情況還會(huì)變得更差?，F(xiàn)在普遍借助測(cè)熱法來(lái)測(cè)量實(shí)際熱放出，而不是根據(jù)電子器件測(cè)量值進(jìn)行推測(cè)。
圖1. 即使±0.1%的測(cè)試設(shè)備準(zhǔn)確率誤差也會(huì)讓高效率下的效率測(cè)量準(zhǔn)確性產(chǎn)生很大的變化
一個(gè)可提高功率轉(zhuǎn)換器效率且風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較低的選擇是僅改進(jìn)現(xiàn)有設(shè)計(jì)中的半導(dǎo)體?；贛OSFET的轉(zhuǎn)換器可以升級(jí)為使用導(dǎo)通電阻較低的較新器件，也許新器件對(duì)開(kāi)關(guān)能量的要求也較低，并適當(dāng)考慮電磁發(fā)射的變化。然而，要利用SiC MOSFET或GaN HEMT單元等最新的寬帶隙器件，就必須對(duì)電路進(jìn)行較大的更改，尤其是對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)。如果現(xiàn)有電路是基于IGBT的，則您要完全從頭設(shè)計(jì)才能利用寬帶隙器件。
柵極驅(qū)動(dòng)與電壓等級(jí)有關(guān)，為了實(shí)現(xiàn)全面增強(qiáng)，SiC MOSFET需要開(kāi)態(tài)驅(qū)動(dòng)，它會(huì)顯著高于Si-MOSFET的驅(qū)動(dòng)，并有接近器件絕對(duì)最大額定值的危險(xiǎn)，必須謹(jǐn)慎地進(jìn)行限制。開(kāi)態(tài)和關(guān)態(tài)之間的高壓擺也需要一定的驅(qū)動(dòng)功率，因?yàn)樵诿總€(gè)周期內(nèi)柵極電容都會(huì)充電和放電。另外，閾值電壓是可變的并有遲滯現(xiàn)象，從而使得最佳柵極驅(qū)動(dòng)難以實(shí)現(xiàn)。某種方面來(lái)說(shuō)，GaN HEMT單元完全相反，它的柵極閾值電壓和絕對(duì)最大值非常低，因而也必須謹(jǐn)慎控制驅(qū)動(dòng)電路，避免過(guò)應(yīng)力和故障。
如果功率轉(zhuǎn)換器電路需要反向?qū)щ娀虻谌笙迣?dǎo)電，則SiC MOSFET中體二極管的特征十分重要，可能會(huì)由于顯著的恢復(fù)能量和前向壓降而導(dǎo)致過(guò)多損耗。GaN器件沒(méi)有體二極管，并通過(guò)溝道反向?qū)щ?，但是在通過(guò)柵極驅(qū)動(dòng)有效增強(qiáng)溝道前，在死區(qū)時(shí)間內(nèi)會(huì)有高壓降。如果柵極電壓在關(guān)態(tài)時(shí)為負(fù)，則“整流”期間的壓降會(huì)更高。
想要面面俱到就要考慮使用SiC FET，它是Si-MOSFET和SiC JFET的共源共柵結(jié)合的產(chǎn)物。該器件有Si-MOSFET的簡(jiǎn)單非臨界柵極驅(qū)動(dòng)，但是性能表征RDS(on) x A和RDS(on) x EOSS比SiC MOSFET和GaN HEMT單元好。它有固有且穩(wěn)健的雪崩能力和自限制短路電流，且體二極管效應(yīng)類似于具有前向壓降并能快速恢復(fù)的低壓Si-MOSFET。這些意味著SiC FET通?？梢院?jiǎn)單地直接插入Si-MOSFET插槽，甚至是IGBT插槽，來(lái)立即提升效率。無(wú)法控制SiC FET的速度，以便如同其他技術(shù)一樣通過(guò)調(diào)整柵極驅(qū)動(dòng)電阻來(lái)限制電磁干擾和應(yīng)力，但是對(duì)于這些超快的器件，與器件簡(jiǎn)單并聯(lián)運(yùn)行的小緩沖電路可有效地限制過(guò)沖和振鈴。當(dāng)更換IGBT時(shí)，開(kāi)關(guān)頻率可以提高，且不會(huì)產(chǎn)生不當(dāng)?shù)膭?dòng)態(tài)損耗，從而獲得更小、更輕、更便宜的磁性元件帶來(lái)的好處。
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