宽带隙半导体是@@高效功率转换的助力@@。有@@多种器件可供人们选用@@，包括混合了硅和@@@@SiC技术@@的@@SiC FET。本文探讨了这种器件的特征@@，并将它与其@@他方法进行了对比@@。
高效是@@所有@@功率转换的共同目标@@，高效能够节省成本和@@电力@@，减少环境影响@@，让器件更小更轻@@，打造更可靠的设备@@和@@更好的功能@@。对于最新的和@@新兴的应用更是@@如@@此@@，例如@@@@，据说服务器农场的电子@@产品散热和@@空调消耗了全球@@1%以上的电力@@。在@@此应用中@@@@，在@@数百@@A电流@@下@@，刀片服务器的终端电压可能不到@@1V，这可能会让互连电阻和@@半导体内的损耗更大@@。
数据中@@心使用@@配电方案尽量提高@@效率@@
系统架构师提高@@效率的努力没有@@白费@@，从@@2010年@@到@@2018年@@，虽然网@@络流量增长了@@10倍@@，数据中@@心存储量扩大了@@20倍@@，但是@@服务器农场同期消耗的能量仅增长了@@6%左右@@。这是@@从@@交流电源降至负载电压的转换过程中@@的中@@间总线电路的功劳@@，其@@“电流@@”趋向于大约@@385V直流电的内部总线@@，来源自交直流功率因数校正级@@@@，然后进行降频变换并隔离@@，直至@@48V总线和@@备@@用电池@@，再经过隔离或@@非隔离的@@“荷载点@@”直流转换器@@@@（图@@1）。
图@@1：典型的现代数据中@@心电力布置@@
在@@“80+ 钛@@”等标准的驱策下@@，各个功率转换级@@的效率也有@@了显著提高@@@@，该标准的目标是@@在@@@@50%负载和@@@@230V交流电输入下@@，将效率提升到@@96%。新颖的拓扑结构也为此@@提供了支持@@，如@@“无桥图@@腾柱@@PFC”级@@和@@谐振直流转换器@@@@@@，如@@移相全桥和@@@@“LLC”转换器@@，不过@@，半导体技术@@也取得了发展@@，尤其@@是@@在@@采用了碳化硅@@（SiC）和@@氮化镓@@（GaN）制成的宽带隙开关@@后@@。
电动车促进了效率提高@@@@
可以说@@，现代电动车就是@@一个移动数据中@@心@@，内置的大规模电机运动控制部件@@（图@@2）为其@@提供了大量支持@@。由此可见@@，功率转换和@@电机控制效率是@@这种交通工具是@@否具有@@内在@@可行性的关键@@，而@@效率提高@@会带来更小更轻的转换器@@与能以更低成本行驶更长里程的电池之间的良性循环@@。主流锂离子电池的电压在@@弱混下为@@48V，在@@强混版本下为@@400-800V，而@@且@@在@@所有@@情况下@@都需要牵引逆变器@@，且通常为双向逆变器@@，并采用各种直流转换器@@@@为附属服务设备@@供电@@。在@@大部分情况下都需要车载交直流充电器@@，通常也是@@双向的@@，可让能量返回电网@@@@，获取现金@@。宽带隙半导体再次因其@@低损耗而@@被采用@@，在@@像开关@@或@@同步整流器@@一样由控制单元进行非此即彼的动态配置时@@，它可促进正向@@和@@反向能量流动@@。
图@@2：典型的电动车功率转换@@188足彩外围@@app
让牵引逆变器从@@采用@@IGBT技术@@转变为采用@@SiC或@@GaN的过程存在@@一些阻力@@，因为@@宽带隙器件的高频能力在@@低于@@20kHz的典型开关@@频率下并不能体现出明显的价值@@。在@@这些开关@@频率下@@，IGBT能够有@@效工作@@，它具有@@低成本和@@超长的耐用性@@。不过@@，现在@@@@，使用@@SiC可以显著降低开态损耗和@@其@@余开关@@损耗@@，因此@@该技术@@会被越来越广泛地采用@@。IGBT还需要并联二极管才能实现电机驱动和@@双向能力@@，而@@SiC有@@集成二极管@@，不过@@不一定能有@@高性能@@。
高效的功率转换拓扑@@
所有@@功率转换器@@都可以分成两个基础类别@@：“降压@@”和@@“升压@@”，也就是@@@@隔离形式下的@@“正向@@”和@@“反激@@”转换器@@。在@@所有@@情况下@@，都至少有@@一个开关@@和@@一个二极管@@，而@@在@@复杂的多电平转换下@@，可能有@@数十个半导体@@。为了实现高效率@@，二极管被@@“同步整流器@@”替代@@，这是@@一个通过栅极的主动控制效仿二极管的开关@@@@。现在@@@@，半导体压降及其@@带来的导电损耗仅受器件导通电阻影响@@，可以通过选择经济实惠的最佳器件来尽量减小该压降和@@损耗@@。
开关@@损耗比较难以控制@@，更快的边缘通常会导致更小的电压和@@电流@@重叠@@，并伴随瞬态损耗@@，但是@@损耗提高@@与开关@@频率成正比@@，因此@@，如@@果突破@@SiC或@@GaN的极限@@，以减小磁性@@188足彩外围@@app 的体积@@、成本和@@重量@@，开关@@损耗仍然不小@@。为此@@，拓扑结构偏好采用@@“软@@”开关@@或@@谐振开关@@@@，在@@这种情况下@@，电流@@升高会延迟@@，直至@@电压在@@打开时降至零@@（零压开关@@@@，也就是@@@@ZVS），或@@类似地@@，在@@关闭时实现零电流@@开关@@@@（ZCS）。确保实现@@ZVS和@@ZCS的控制过程可能会很复杂@@，具体取决于运行条件@@，而@@专为谐振运行设计的转换器@@可能在@@过载或@@瞬态输入条件下必须采用损耗高的@@“硬@@”开关@@。在@@实践中@@@@，图@@腾柱等部分转换级@@必须在@@采用硬@@开关@@的@@“连续导通模式@@”（CCM）和@@高功率下运行@@，因为@@其@@他模式@@，即不连续或@@临界导电模式@@，会让开关@@和@@磁性@@188足彩外围@@app 中@@产生不可接受的高峰值和@@@@RMS电流@@。
高效拓扑示例@@——LLC转换器@@
为了说明实现高效率的设计技术@@@@，我们可以看看@@LLC转换器@@，它之所以@@这样@@命名是@@因为@@一次电路由包含一个电容器和@@两个感应器的谐振电路组成@@，其@@中@@一个感应器是@@变压器的一次绕组@@（图@@3）。
图@@3：LLC转换器@@简图@@@@
Q1和@@Q2这两个开关@@的运行类似于@@“降压@@”转换器@@，但是@@可以用死区@@时间受控且占空比近@@50%的恒定反相信号轻松驱动@@。这造成了对由@@L1和@@T1一次电路构成的谐振回路@@的方波驱动@@。简而@@言之@@，当方波处于回路@@的谐振频率时@@，阻抗最小@@，输出电压最大@@。当方波频率大于或@@小于谐振频率时@@，阻抗上升@@，输出下降@@。因此@@，通过改变频率@@，可以调整输出电压@@。在@@实践中@@@@，在@@正常条件下@@，运行频率会被设置为大于谐振频率@@，这样@@，回路@@“看起来@@”有@@电感@@，而@@且@@Q1和@@Q2会自然地实现零压开关@@@@@@，在@@输出二极管中@@也会自然而@@@@然地实现零电流@@开关@@@@。控制过程很复杂@@，会发生多种谐振@@，并受负载值的影响@@。
开关@@寄生定义了高效拓扑中@@的效果@@
LLC等电路的高效谐振操作受到所选半导体及其@@特征的影响@@。在@@开关@@前必须释放输出电容@@COSS和@@存储的能量@@EOSS，以硅@@MOSFET为例@@，在@@硅@@MOSFET中@@，这两个值很高且可变@@。COSS的充电和@@放电操作本身也会产生损耗@@。SiC MOSFET的这两个值通常较低@@，但无论是@@硅@@MOSFET还是@@@@SiC MOSFET，在@@制造过程中@@@@，MOSFET都必须在@@导通电阻与@@EOSS之间进行权衡@@，所以@@RDS(ON)·EOSS是@@一个可用于比较的有@@用性能表@@征@@@@。另一个有@@用的性能表@@征@@是@@@@RDS(ON)·A，它是@@导通电阻和@@晶粒面积的乘积@@，这二者需要彼此折中@@@@，晶粒越小则每个晶圆的产量越高@@，越具有@@成本效益@@，但是@@沟道面积越小@@，导通电阻越高@@。
反向导电特征也很重要@@，在@@“死区@@”时间的反向导电过程中@@@@，SiC MOSFET在@@体二极管上有@@很高的正向@@压降@@，从@@而@@造成了导电损耗@@，而@@该压降高于旧的@@Si-MOSFET技术@@的@@压降@@。SiC MOSFET也有@@反向恢复能量@@，不过@@要比典型的@@Si-MOSFET好得多@@。GaN HEMT单元的反向恢复值十分低@@，因为@@它们只通过沟道反向导电@@，但是@@如@@果采用负关态栅极驱动电压@@，则压降会高于@@SiC MOSFET，该压降会计入有@@效的总压降中@@@@。虽然增强型@@GaN HEMT单元名义上关态栅极电压为零@@，但是@@通常建议采用此负驱动以避免虚假打开和@@低阈值电压@@。源极连接和@@栅极驱动回路@@的常见电感通常是@@瞬态电压和@@高漏极@@di/dt的成因@@，后者可造成一定影响@@。在@@描述各种开关@@类型的沟道和@@反向导电损耗的影响时@@，性能表@@征@@RDS(ON)·Qrr十分有@@用@@。
比较开关@@技术@@选择@@
表@@1中@@提供了在@@相同器件电压和@@漏极电流@@等级@@下@@，两种硅超结@@MOSFET、SiC-MOSFET、GaN HEMT单元和@@我们现在@@@@可以讨论的替代@@性@@SiC FET的能够影响效率的器件特征和@@性能表@@征@@的摘要@@。
表@@1：开关@@特征比较@@——650V/20A级@@
该表@@清楚地表@@明了相似等级@@的@@SiC MOSFET、GaN与硅超结@@MOSFET相比的动态特征的优点@@，虽然导电损耗类似@@，但是@@前两者到壳的热阻和@@雪崩能量额定值@@Eas通常较差@@。然而@@@@，该表@@也将@@SiC FET作为一个替代@@产品列了出来@@。SiC FET是@@SiC JFET和@@硅@@MOSFET的共源共栅结构@@，其@@导通电阻要低得多@@，且由于通常采用银烧结作为晶粒连接方式@@，其@@到壳的热阻比其@@他器件要好很多@@。SiC FET的动态性能表@@征@@@@FOM与其@@他技术@@一样出色@@，甚至好得多@@@@。
SiC FET的一大实用优势是@@其@@栅极驱动比@@SiC MOSFET和@@GaN单元简单@@。SiC MOSFET必须在@@栅极驱动至@@18V左右@@才能实现全面增强@@，该值非常接近所示器件的绝对最大值@@23V。该栅极驱动电压可变@@，且体现了一定的迟滞性@@。E-GaN单元的阈值电压非常低@@，绝对最大值仅有@@@@7V左右@@，所以@@必须注意防止栅极电压瞬变或@@过冲带来的压力@@。从@@比较中@@可以看出@@，SiC FET具有@@可靠的栅极@@，且阈值兼容@@Si-MOSFET，甚至是@@@@IGBT，因而@@可以在@@@@0-12V下安全驱动@@，且所述器件的绝对最大值为距离该驱动值很远的@@+/-25V。如@@果说应用@@SiC FET会产生任何问题@@，那就是@@它非常快@@，有@@EMI、过冲和@@振铃风险@@。Si-MOSFET栅极中@@的串联电阻并不是@@控制这些风险的好方法@@，因为@@SiC JFET栅极在@@共源共栅结构中@@是@@隔离的@@。然而@@@@，事实表@@明@@，较小的@@RC缓冲电路是@@有@@效的解决方案@@，能很好地在@@@@EMI控制与尽量维持低损耗之间进行折中@@@@。在@@有@@大寄生电感的电路中@@关闭大电流@@时@@，尤其@@如@@此@@。它还简化了快速开关@@器件的并联运行@@。
您可以选择在@@功率转换器@@中@@使用@@宽带隙器件来实现极高的效率@@，而@@过去@@，该应用在@@很大程度上影响了使用@@哪个器件的决定@@。在@@所有@@常用拓扑中@@@@，使用@@UnitedSiC制造的@@SiC FET都能实现有@@用的性能提升@@。