半导体功率转换拓扑架构和挑战 宽带隙半导体的技术进展

降低能量损耗

预计到2020年，全球电能需求将达到30拍瓦（petawatts）峰值［1］，而在那之后还会进一步增加。电能来源可能是化石燃料或可再生能源，但无论如何，功率转换设备效率对于最大程度地降低成本和电能损耗至关重要。

工业马达消耗了全球50％以上能源，但是数据中心也非常耗电，而电动汽车（EV）充电正在快速增大负荷。所有这些以及许多其他应用都已经促使开发“更智能”且耗电更少的创新技术，但是相关电源转换器件也须跟上步伐，其损耗需要越来越低。在本文中，我们将回顾能够实现这一目标的宽带隙半导体技术。

功率转换拓扑架构和挑战

功率转换器设计者的终极目标是以最高效率将来自配电系统（公用事业AC或DC汇流排）电压转换为不同DC或AC电平。出于安全或功能层面考虑，可能需要电气隔离，并且输出电压可能要求更高或更低，以及是否经过调节，但是“开关模式”电源转换技术现已通用。

最初的双极开关技术已经被硅MOSFET所取代，而IGBT仍在主导高电压/高功率应用，但是当下SiC和GaN已成为转换器拓扑架构中强有力竞争者，通常采用“谐振”型以获得最佳效率，并使用三相电桥用于马达控制。

无论采用何种拓扑架构，由于导通电阻和可能具有高瞬时值的开关转换都会造成损耗累积（图1）。

图1：在开关转换期间，MOSFET峰值功耗可能在kW范围内。

半导体中的开关损耗与每秒转换次数成比例，因此低频率下损耗更小。但是，较高频率允许使用体积更小、重量更轻且成本更低的电感器和电容器等被动元件，因此在实际中，开关频率选择是一个折衷方案，范围可以从马达驱动器的几kHz到数据中心等尺寸非常关键DC-DC转换的几个MHz。

开关转换期间的大量功耗是由对器件电容COSS进行充电和放电所需能量EOSS引起。因此，EOSS和COSS以及导通电阻RDS（ON）都是关键参数。导通电阻与管芯面积乘积RDS（ON）•A是总损耗的品质因数（FOM），电容及其相关开关损耗随管芯面积减小而降低。

宽带隙半导体介绍

SiC和GaN等宽带隙（WBG）半导体需要相对较高能量才能将电子从其“价带”移动到“导带”。高带隙值会导致更高临界击穿电压和更低漏电流，尤其是在高温下。WBG器件还具有更好电子饱和速度，从而导致更快开关，而SiC具有特别好导热性。在图2中将宽带隙特性与硅器件进行了比较，在所有情况下，值都是越高越好。

图2：宽带隙材料特性与硅比较。

对于给定厚度，宽带隙材料临界击穿电压值比Si高10倍左右，因此SiC漂移层可以薄10倍，掺杂浓度可以是10倍。宽带隙材料与Si比较，具有比Si低很多的导通电阻，并且相应降低了相同管芯面积的损耗。由于SiC具有高导热性，所以管芯可以非常小，因而具备出众RDS（ON）•A（FOM）。图3是在650V下SiC MOSFET、GaN HEMT单元、Si MOSFET和IGBT的RDS（ON）•A比较。

图3：在同样电压下宽带隙和硅技术之间RDS（ON）•A（FOM）比较。

SiC和GaN大大降低了对栅极驱动功率要求。Si MOSFET和IGBT特别需要大量栅极电荷才能有效开关。对于较大IGBT，这可能需要数瓦驱动功率，从而导致系统损耗。对于WBG器件，即便在高频下，损耗仅是毫瓦级。

WBG器件还有其它优势：比较硅器件，可以在更高温度下工作，最高可超过500℃。尽管封装限制了实际操作值，但高峰值容量显示了可用余量。与硅器件比较，WBG栅极泄漏和导通电阻随温度的变化也要小很多。

宽带隙技术进展

WBG器件成本一直高于硅，但却在逐步降低，而连锁式系统的优势在很大程度上抵消了这一点。例如，随着效率提高，其他部件（例如散热器）以及滤波器中电感器和电容器尺寸、重量和成本也相应减小。更快开关速度，对负载变化的更快响应和更平滑马达控制也使系统功能和性能受益。

总体而言，利用WBG器件带来的优势可以将它们用于电源转换的任何新应用，设备制造商也在不断完善技术，从而使器件易于使用且坚固耐用，尤其是在诸如短路和过电压等故障条件下。例如，英飞凌（Infineon）公司选择了一种沟槽架构（见图4左），可在低栅极电场强度下实现低沟道电阻，从而提高了栅极氧化物界面可靠性。英飞凌公司的增强型GaN高电子移动率电晶体（HEMT）器件采用平面架构（见图4右），并且与SiC MOSFET不同，它们没有体二极管（（body diodes）），使其特别适合于“硬开关”应用。 GaN器件额定电压为600V，而SiC额定电压则为1200V或更高，但在特定电压额定值下，GaN RDS（ON）理论极限约比SiC好10倍。

图4：SiC和GaN器件典型架构。

意法半导体（STMicroelectronics）介绍其1200V SiC MOSFET具有业界最高额定温度200℃，并且在整个温度范围内具有同类领先的极低导通电阻。非常快速且坚固的体二极管不再需要外部二极管，从而节省了马达驱动器等应用中的换向电路空间和成本。

罗姆（ROHM）公司在SiC MOSFET市场中也有产品供货，其最新器件具备高成本效益和突破性能。罗姆据称开发了业界首款具有共封装（co-packaged）的反平行SiC肖特基屏障（Schottky barrier）二极管的SiC MOSFET，可满足要求苛刻的换向开关应用，其中并联二极管较低正向压降（1.3V）导致损耗低在4.6时体二极管。

宽带隙市场的另一家公司GaN Systems则专注于其获得专利的封装技术，从而最大限度地利用GaN速度和低导通电阻。其“岛屿技术（Island Technology）”将HEMT单元矩阵与横向布置金属条垂直连接，以降低电感、电阻、尺寸和成本。此外，该公司GaNPX封装技术无需引线键合，可提供最佳的热性能，高电流密度和低外形。

GaN市场另一先驱松下（Panasonic）推出了具有专利技术的X-GaNTM器件，以实现“常关”操作而不会出现GaN中的“电流崩塌”现象，这种效应源于漏极和源极之间捕获电子在施加高压期间可以瞬时增加导通电阻，可能导致设备故障（图5）。Panasonic的栅极注入电晶体（GIT）技术产生了真正的“常关” GaN器件，可采用与Si MOSFET电平兼容的栅极电压来驱动。

图5：Panasonic GaN单元没有“电流崩塌”出现。

结论

宽带隙器件在功能层面胜过硅，但目前的应用障碍主要是成本、易用性和可靠性。宽带隙器件制造商已经解决了这些问题，大规模生产已成为现实，并且在所有市场领域中都展示了非常有前途的应用。采用SiC和GaN技术实现的宽带隙器件可从mouser.com获得。

编辑：hfy