GaAs二极管在高性能功率变换器中的应用

GaAs二极管是WBG功率半导体中的全新成员，其为设计人员提供了一种能够在高性能功率变换器中平衡效率与成本的方案。GaAs二极管技术是由3-5 Power Electronics (3-5pe.com）率先开发的，其具有Si 二极管的低传导损耗特性和类似于SiC二极管的动态开关特性，从而能够以较低的成本提供优异的性能。

简介

高压Si二极管的正向导通压降较低，但其反向恢复特性使其在功率变换器中会产生很大的动态损耗。SiC二极管的反向恢复损耗可忽略不计，但与Si器件相比，其体电容和正向导通压降更高。借助能够提供Si二极管和SiC二极管各自性能优势的GaAs二极管技术，本文探索并比较了基于不同种类功率器件的10 kW、100 kHz移相全桥转换器（PSFB：Phase Shifted Full Bridge）的性能，其中通过在这种应用中对GaAs二极管、SiC二极管和超快恢复Si二极管进行对比测试的结果表明，GaAs二极管总体效率与SiC二极管的相当，而成本相对大幅降低。

为什么选择GaAs?

成本 ：用于GaAs二极管的晶圆原材料成本以及其固有的较低制造工艺成本优势实现了以更低的成本媲美SiC二极管的性能，其中封装好了的GaAs二极管的典型成本约为SiC二极管的50％~70％。

可用性 ：GaAs作为一种半导体材料已经在射频应用中得到广泛使用，是目前第二大常用的半导体材料。由于它的广泛使用，因此可以从与Si材料制造工艺类似的多个来源来获得，这些因素都有利于该技术实现低成本化。

软开关还是硬开关？

与主流的Si器件相比，SiC在二极管和晶体管的开关特性方面有了显著改善，近年来的应用趋势是使用软开关拓扑以使变换器获得整体最高性能。GaAs二极管非常适用于这类软开关拓扑，使设计人员既可以受益于比SiC器件更低的传导损耗，而又无需承受Si器件中额外的动态损耗。

对于给定的功率输出而言，由于实现零电压转换需要循环谐振能量，软开关拓扑中的功率半导体器件中会流过较高的电流有效值。具有较低正向压降的GaAs之类的科技可以有效降低这种谐振能量引起的损耗，并充分利用零电压开关运行的优势。

二极管的损耗

理想的二极管可在不产生任何功耗的情况下实现其功能，但实际上任何二极管（包括WBG器件）均会因其实际运行中各种因素导致功耗产生，从而偏离这一理想状态。在大多数变换器中，损耗归因于次级侧二极管影响的主要有以下3部分：

1.当二极管流过电流时，非零正向压降会带来传导损耗，而这种损耗机制取决于拓扑结构，通常与频率无关。
2.由二极管体电容导致的损耗，其中体电容越大则损耗越大，这部分取决于拓扑/频率，因此产生的损耗会影响到变换器中的其他元件。
3.由反向恢复效应造成的损耗取决于拓扑/频率，这部分损耗会在变换器二极管和其他元件中表现出。

上述损耗类型的相对水平取决于二极管特性、拓扑和开关频率，正向传导损耗相对容易计算，而二极管体电容和Trr所引起损耗的计算则相对复杂。

二极管特性对比

在测试中，我们对3种二极管进行了相关参数的比较，具体如图1所示。

图1：3种二极管参数对比

上述数据比较表明，从正向传导性能的角度来看，Si二极管和GaAs二极管都比SiC二极管的性能更好，尤其是在高结温下。从开关特性角度来看，SiC二极管具有更高的结电容，但其反向恢复时间Trr基本为零。接下来的问题在于针对10 kW PSFB应用，这些二极管特性将如何影响整体效率？

PSFB中二极管引起的损耗

典型PSFB拓扑电路如图2所示，其中二极管为D1~D4。

图2：PSFB拓扑

PSFB通过使Q1/Q3和Q2/Q4晶体管对分别以50％的占空比运行，并通过控制其相对相位来控制功率流动，这种运行模式允许一次侧器件Q1~Q4在宽负载条件范围下以零电压开关运行。

D1D4的组合电容和变压器以及PCB布线的分布电容叠加到一起，导致D1D4两端在开关期间会产生谐振电压。为防止D1~D4损坏，可使用缓冲电路将谐振电压钳位在其可承受范围内。在PSFB中，量化有源缓冲电路吸收的能量是衡量动态特性（体电容和Trr）影响的直接方法。将变换器整体效率与缓冲电路损耗结合在一起，可以在该应用中准确地对二极管性能进行对比测试。

对比测试结果

变换器样机的最大输出被设计为500 V/30 A/10 kW，图3为变换器在输入电压600 V及输出330 V/20 A运行时的波形，图中的蓝线（C3）为在有源缓冲电路两端测得的电压，由于钳位功率是钳位电压的直接函数，因此有源缓冲电路被设计为使用单独控制环路工作，从而使用户能够将钳位电压设置在固定水平，其中图3中钳位电压为800 V。

图3：PSFB变换器运行波形

（C1/C2 为Q1/Q3、Q2/Q4器件对上的电压，C3为D1~D4整流输出电压且C4为L2中电流）

利用图2中详细设计参数，可以实现图4所示的输出特性，其中彩色区域为一次侧MOSFET的ZVS运行区域，而等值线则为所需的相移。对比测试是在600 Vdc固定输入下进行的，输出连接恒定电流负载，然后通过相移改变输出电压。效率和缓冲电路功耗与输出电压的关系是在输出电流分别为10 A、15 A和20 A时测量的。

图4：PSFB在ZVS区域且在恒定相移等值线下的VI输出特性

从图5中的结果可以得出如下结论：

*基于GaAs二极管和SiC二极管的解决方案的整体变换器效率几乎相同，尤其是在较大负载电流下。在较大输出电流下，GaAs二极管Trr导致稍高的缓冲电路损耗被其较低的导通损耗所抵消，从而实现与SiC二极管相同的整体效率。
*由于缓冲电路损耗较大（即与Trr相关的损耗），超快恢复Si二极管的效率在此应用中表现得非常差。由于测试均在高缓冲功率水平下进行，使用超快恢复Si二极管进行的测试仅限于低功率区间。
*GaAs和SiC缓冲电路损耗较为接近，说明GaAs中Trr引起的额外损耗在很大程度上与SiC器件较大的体电容所带来的损耗相当。

图5：基于GaAs二极管、SiC二极管及超快恢复Si二极管的PSFB效率对比测试（左）及缓冲电路损耗（右）对比测试

根据相关研究经验，我们开发了一个分析模型来对由二极管体电容和Trr引起的缓冲电路损耗进行模拟。分析表明，在Trr周期内，多余的能量被加载到谐振电路中，从而导致额外的钳位损耗。因此，对于给定的工作点，缓冲电路损耗与二极管体电容和Trr呈函数关系。对于本文详细介绍的PSFB而言，其在500 V/ 20 A输出工作点时可以使用分析模型来预测二极管体电容和Trr带来的缓冲电路损耗，从而可以比较3种二极管的特性，具体如图6所示。

图6：PSFB运行在500 V/20 A输出时由二极管Trr和体电容引起的缓冲电路损耗对比

从图6可以看出，GaAs二极管和SiC二极管的缓冲电路损耗大致相同，SiC二极管的零Trr优势被其体电容较高的劣势所覆盖。由于超快恢复Si二极管的反向恢复时间较长，其二极管电容较低的优势被功耗更高的劣势所覆盖。GaAs二极管低体电容和低Trr的特性使其可以获得与SiC类似的动态性能表现，并具有正向传导损耗更低的额外优势。

PSFB样机中的变压器、输出电感器和PCB布线中总负载电容约为300pF，图6中数据在所有情况下都包含该基准电容，其中二极管总电容则为4个二极管的电容总和。

结论

在研究转换器的整体效率时，重要的是要了解包括二极管动态特性等所有主要损耗产生机制。上述讨论表明，GaAs二极管的低正向压降、低电容和低/稳定Trr的极佳组合使其适合应用于PSFB等软开关应用。

GaAs二极管带来的系统级成本优势可以极大地使诸如电动汽车充电系统等高速增长的高性能电力电子产品受益。在实际应用中，由二极管引起的正向传导特性和动态损耗的详细知识为设计人员提供了优化性能和成本的工具。