本文转载自@@： UnitedSiC微信公众号@@
如果询问任何功率电子@@器件设计师他们追求什么@@，转换效率通常都会名列前茅@@。高效率不仅能节能@@，还有附带好处@@，即打造更小@@、更轻@@、更便宜的@@产品@@，而释放的@@空间@@还可用于提高@@可靠性和@@增加功能@@。实际上@@有些应用受益匪浅@@，如电动车@@，它的@@单次充电行驶里程会有所提高@@@@，还有数据中@@心@@，其中@@的@@@@电子@@器件和@@必要空调的@@能耗是@@一大问题@@，目前占全球能源需求的@@@@1%以@@上@@。
功率转换@@效率提高@@了电动车的@@可行性@@
电动车是@@车轮上的@@数据中@@心@@，具有工业规模的@@电动机控制@@（图@@1），它的@@可行性取决于牵引逆变器和@@充电电路的@@效率@@。效率每提高@@一个百分点都能促进散热需求降低@@、重量减轻@@、单次充电行驶里程增加和@@成本降低@@，这构成了一个良性循环@@。
图@@1：典型的@@电动车功率转换@@@@188足彩外围@@app
锂离子电池是@@电动车的@@心脏所在@@@@，它可以@@是@@@@48V，用于轻度混合动力@@，也可以@@达到@@500-800V，实现@@完全电动@@。电动车中@@有车载交直流充电器@@，它通常双向导电@@，可以@@将多余的@@能量返回到电网@@中@@赚钱@@，还有多种辅助直流转换器@@@@，用于为保障安全舒适的@@设备@@供电@@，当然也少不了牵引逆变器@@，它也有双向电流@@，可利用刹车或@@惯性滑行中@@的@@再生能量@@。
电动车功率转换@@中@@的@@半导体开关@@压倒性地决定了损耗@@，而在@@牵引逆变器中@@@@，IGBT可能是@@个好选择@@，尽管@@IGBT只能在@@低频下实现@@高效开关@@@@。然而@@以@@前@@，这并不是@@一个大问题@@，因为交流电动机可以@@在@@@@10kHz或@@更低频率的@@驱动下充分运行@@。不过@@，提高@@频率能带来一些好处@@，能让电动机控制更加顺畅@@，能实现@@更符合正弦波的@@驱动@@，从而降低铁损和@@电动机磨损@@。接近恒定的@@饱和@@电压@@可以@@让@@IGBT保持低导电损耗@@，但是@@宽带隙开关@@@@，尤其是@@碳化硅@@（SiC），异军突起@@，其导通损耗极低@@，因而@@现具有强大的@@竞争力@@，还能随意并联@@，进一步降低损耗@@。FET和@@MOSFET等@@SiC器件还满足双向电流要求@@，因为在@@配置成开关@@或@@同步整流器后@@，它们可以@@向任意方向导电@@。IGBT则不能反向导电@@，需要一个损耗不菲的@@并联二极管才能实现@@此功能@@。
随着功率要求的@@提高@@@@，电动车充电器和@@辅助直流转换器@@也逐渐被纳入能耗计算范畴中@@@@，而它们能直接从使用小磁性@@188足彩外围@@app 实现@@的@@更高频率开关@@中@@获益@@。一直以@@来@@，开关@@都使用硅超结@@MOSFET，但是@@宽带隙器件有着更高的@@边沿速率并能降低导通电阻@@，现可实现@@有用的@@效率增益@@。
新的@@功率转换@@拓扑结构能尽量提高@@数据中@@心的@@效率@@
虽然数据中@@心对能量的@@需求前所未有地多@@，但是@@高效功率转换@@器和@@配电方案的@@推出使得该需求从@@2010年到@@2018年实际上@@仅增加了约@@6%，而同期的@@互联网@@流量增加了@@10倍@@，存储量增加了@@20倍@@。
在@@无桥图@@腾柱@@PFC级@@（TPPFC）和@@谐振@@移相全桥与@@“LLC”直流转换器@@等@@高效拓扑结构的@@帮助下@@，数据中@@心的@@交直流转换器@@现在@@基本都能达到@@“80+钛金@@”标准@@，即在@@@@230V交流电和@@@@50%负载下@@，能效至少达到@@96%。这些电路传统上采用@@硅@@MOSFET开关@@实现@@@@，现在@@则因采用@@宽带隙器件而获益@@，这些器件的@@导电损耗和@@动态损耗都较低@@。事实上@@，由于存在@@体二极管反向恢复损耗@@，在@@高频和@@大功率下采用@@硅@@MOSFET实现@@TPPFC布置是@@不可行的@@@@。采用@@SiC或@@氮化镓@@（GaN）则可以@@解决这个问题@@。
数据中@@心使用的@@配电方案也有所改进@@，以@@提升效率@@（图@@2）。交直流转换器@@带来的@@@@“中@@间总线@@”用于在@@更高电压@@@@（通常为@@385V直流电@@）下传输电力@@，然后电力会被隔离@@，并转换为@@48V，与备@@用电池一起实现@@更多的@@本地配电@@，之后电力流经隔离或@@非隔离的@@车载@@“负载点@@”转换器@@，以@@进入最终转换级@@@@。
图@@2：数据中@@心配电布置@@
高效功率转换@@拓扑结构@@
现代高效转换拓扑结构都可以@@归为衍生出@@“降压@@”和@@“升压@@”功能的@@两个基本类别@@，在@@绝缘版本中@@则称为@@“正激@@”和@@“反激@@”。它们都能在@@@@“硬@@”或@@“软@@”（谐振@@）开关@@模式下运行@@@@，并具有至少一个开关@@和@@整流器@@，在@@极为负载的@@多电平电路中@@@@，每个拓扑结构也可能有数十个开关@@和@@整流器@@。
采用@@具有较低导通电阻的@@开关@@并用同步整流器替代二极管就能尽可能降低导电损耗@@，通常用@@MOSFET实现@@。理论上@@，通过并联零件可以@@任意降低导电损耗@@。电压@@/电流叠加@@、二极管反向恢复能量和@@器件电容充电@@/放电造成的@@开关@@损耗则比较难以@@控制@@，并会随着频率提高@@而提高@@@@，且成正比@@。这阻碍了硅@@MOSFET在@@非常高的@@频率下的@@使用@@，在@@这种情况下@@，我们的@@目标是@@大幅减小磁性@@188足彩外围@@app 的@@体积@@。对于部分@@“零压开关@@@@”（ZVS）或@@“零电流开关@@@@”（ZCS）拓扑结构而言@@，在@@谐振@@模式下运行@@是@@一种解决办法@@，但是@@必须要小心确保在@@瞬态或@@过载条件下不会发生具有破坏性的@@高损耗@@“硬@@”开关@@。在@@这种情况下@@，宽带隙器件可以@@凭借其无论如何都比硅低的@@动态损耗提供一些安全裕度@@。
实际上@@，部分转换级@@必须采用@@@@“硬@@开关@@@@”，如上文提到的@@@@TTPFC，它在@@大功率和@@@@“连续导电@@”模式下运行@@，以@@将峰值电流和@@组件应力保持在@@合理范围内@@。此时@@@@，宽带隙器件的@@价值无法估量@@。
高效拓扑结构的@@示例@@——LLC转换器@@
LLC转换器@@（图@@3）很好地诠释了高效转换器@@@@。“LLC”这个名称得自构成谐振@@回路的@@一次电路中@@的@@两个电感器和@@一个电容器@@。
图@@3：LLC转行器略图@@@@
在@@变压器@@T1中@@，L1是@@独立的@@或@@受控的@@漏电感@@，第二个电感器是@@@@T1的@@一次侧电感器@@。在@@反相和@@可变频率下@@，Q1和@@Q2以@@50%的@@占空比驱动@@，为回路提供方波驱动@@。在@@回路的@@谐振@@频率下@@，阻抗极低@@，会有尽可能多的@@能量通过变压器行为传递到输出端@@。如不采用@@谐振@@@@，电感器或@@电容的@@阻抗会较高@@，传输的@@能量也较少@@。对于恒定的@@输出负载@@，这意味着可以@@通过改变驱动频率有效控制输出电压@@@@。实际上@@，设定的@@名义频率会高于谐振@@频率@@，这让回路@@“电感十足@@”，以@@至于@@Q1和@@Q2都自然而@@然地出现了零压开关@@@@@@，实现@@了低损耗@@。变压器一次侧和@@二次侧电流呈正弦波@@，因此输出二极管实现@@零电流开关@@@@@@。由于发生多重谐振@@@@，LLC的@@控制非常复杂@@，但是@@它可以@@在@@非常高的@@频率下运行@@。
损耗描述@@
很难说给定拓扑结构@@、频率和@@负载范围采用@@哪种开关@@技术@@最好@@，因而@@“品质因数@@”（FOM）会很有用@@。其中@@一个是@@@@RDS(ON).A，器件导通电阻与晶粒面积的@@乘积@@。它有用地表@@明了给定晶粒体积与导电损耗的@@关系@@，即始终可以@@通过提高@@晶粒体积降低导通电阻@@，但是@@电容@@、开关@@损耗和@@成本也会随之增加@@，而单晶圆的@@产量则会下降@@。性能表@@征@@RDS(ON).EOSS是@@另一个指标@@，结合了导电损耗和@@开关@@损耗@@，开关@@损耗是@@由器件输出电容内存储的@@能量造成的@@@@，该指标对@@“硬@@”开关@@拓扑结构十分重要@@。在@@Si-MOSFET中@@，EOSS可能很高并且可变@@，而在@@相同导通电阻和@@器件电压@@级@@下@@，在@@SiC MOSFET中@@则较低@@，在@@SiC FET共源共栅结构@@中@@的@@值也较低@@。SiC FET是@@SiC JFET和@@Si-MOSFET的@@共源共栅结构@@@@。另一个重要参数是@@在@@开关@@中@@任何体二极管效应的@@反向恢复能量@@，它在@@硬@@开关@@@@条件下会造成显著耗损@@。SiC MOSFET的@@一些值很低@@，但是@@增益会被抵消@@，因为二极管前向压降高@@，如果因@@“换向@@”而在@@开关@@@@“死区@@”时@@间内导电@@，这会造成耗损增加@@。比较而言@@，SiC FET共源共栅结构@@的@@二极管恢复能量更低@@，前向压降也低得多@@。GaN器件没有恢复效应@@，通过沟道反向导电@@，但是@@在@@换向@@条件下压降高@@，且压降取决于栅极驱动电压@@等@@级@@@@。
各种开关@@类型的@@沟道影响和@@反向导电损耗都可以@@用性能表@@征@@@@RDS(ON).Qrr来描述@@，而一个在@@高频软@@开关@@拓扑结构中@@表@@示@@性能的@@指标是@@性能表@@征@@@@RDS(ON).COSS(tr)，其中@@的@@@@tr表@@示@@“与时@@间相关@@”。
比较开关@@技术@@@@
在@@高频转换器@@方面@@，之前提到了硅超结@@MOSFET、SiC MOSFET、GaN HEMT单元和@@@@SiC FET共源共栅结构@@。表@@1中@@总结了在@@相同电压@@和@@器件电流级@@下它们的@@性能表@@征@@的@@比较结果@@。
表@@1：在@@650V/20A等@@级@@下比较开关@@特征@@
从表@@中@@可以@@看出@@，与硅相比@@，SiC MOSFET和@@GaN具有损耗方面的@@优势@@，不过@@在@@上述示例中@@@@，它们的@@雪崩能量额定值和@@到壳的@@热阻比较差@@。然而@@，UnitedSiC制造的@@@@SiC FET具有更好或@@相同的@@性能表@@征@@@@，在@@所述等@@级@@下@@，导通电阻显著降低@@，并且由于银烧结晶粒连接方式和@@晶圆减薄技术@@@@，到壳的@@热阻也好得多@@。
SiC FET的@@另一个优势是@@@@，与其他宽带隙技术@@相比@@，它的@@栅极驱动很简单@@。SiC MOSFET需要大约@@18V的@@栅极驱动才能实现@@全面增强@@，与绝对最大值非常接近@@，而栅极阈值是@@可变的@@@@，受迟滞影响@@，并影响短路耐受性@@。GaN的@@栅极阈值电压@@低@@，绝对最大值差不多低@@，因而@@必须小心驱动以@@免瞬态和@@短路造成电压@@过应力@@，在@@存在@@高@@dV/d和@@di/dt波形时@@@@，电压@@过应力非常危险@@。
在@@比较中@@@@，SiC FET可以@@使用标准@@硅@@MOSFET或@@IGBT栅极驱动在@@典型的@@@@0-12V电压@@下驱动@@，且距离最大绝对值有很大的@@裕度@@。该阈值稳定@@，表@@明没有迟滞@@，且栅极电压@@不会影响固有的@@@@SiC FET短路耐受额定值@@。
UnitedSiC的@@“第四代@@”SiC FET现在@@的@@开关@@速度极快@@，以@@致于在@@需要控制边沿速率以@@尽量减小过冲和@@@@EMI时@@，这可能会成为一个实际问题@@。然而@@，UnitedSiC已经表@@明简单的@@低损耗缓冲电路是@@一个有效解决方案@@。一个新发展是@@采用@@自由@@JFET栅极的@@@@SiC FET共源共栅结构@@，它允许更好地控制开关@@速度@@，而将共源共栅的@@@@Si-MOSFET一同封装则仍允许在@@启动@@、关闭和@@故障条件下实现@@常关型运行@@。
结论@@
宽带隙半导体技术@@为实现@@更高效的@@功率转换@@打开了大门@@。UnitedSiC生产的@@@@SiC FET走在@@最前沿@@，各方面的@@性能表@@征@@都十分出色@@。