碳化硅 FET 在 SMPS 應(yīng)用中大放異彩

碳化硅 (SiC) FET 開(kāi)始在 PWM(脈沖寬度調(diào)制)和 SMPS(開(kāi)關(guān)模式電源)系統(tǒng)的固有效率已經(jīng)成為優(yōu)勢(shì)的市場(chǎng)中獲得關(guān)注。這項(xiàng)新技術(shù)的一些主要參與者展示了比之前的 IGBT 和傳統(tǒng) MOSFET 設(shè)計(jì)效率更高的電源系統(tǒng)。在夏威夷這樣的地方，電費(fèi)可能超過(guò) 0.35 美元/千瓦時(shí)，這一點(diǎn)變得很重要。在歐洲和亞洲也有類(lèi)似的高電力成本需要處理。對(duì)于生活在電網(wǎng)之外的人來(lái)說(shuō)，這也很重要。

當(dāng)然，(近乎)完美的電氣開(kāi)關(guān)已經(jīng)存在很長(zhǎng)時(shí)間了，但我們?cè)谶@里不是在談?wù)摍C(jī)械?，F(xiàn)代電源轉(zhuǎn)換依賴(lài)于理想情況下沒(méi)有電阻的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)，當(dāng)打開(kāi)時(shí)沒(méi)有電阻，關(guān)閉時(shí)具有無(wú)限電阻和耐壓，并且能夠通過(guò)簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)在兩種狀態(tài)之間切換，任意快速，并且沒(méi)有瞬時(shí)功耗。

在我們注重能源和成本的世界中，這些功能有助于在電源、逆變器、電池充電器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)高功率轉(zhuǎn)換效率。隨之而來(lái)的好處是減少了設(shè)備尺寸、重量和故障率，同時(shí)降低了采購(gòu)成本和生命周期成本。有時(shí)，會(huì)超出一個(gè)簡(jiǎn)單的效率閾值，從而打開(kāi)整個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。例如，如果電機(jī)驅(qū)動(dòng)器損耗過(guò)大并因此又大又重，則電動(dòng)汽車(chē)幾乎不可行，而這又需要更多的電池功率，同時(shí)又會(huì)導(dǎo)致重量和續(xù)航里程的進(jìn)一步損失。從近 75 年前的 Shockley、Bardeen 和 Brattain 時(shí)代開(kāi)始，工程師們因此一直致力于改進(jìn)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)，以更接近理想狀態(tài)。

硅金屬氧化物柵極 FET (MOSFET) 在 70 年代和 80 年代具有垂直傳導(dǎo)路徑和平面柵極結(jié)構(gòu)，隨后在 90 年代采用“溝槽”布置，因此在高功率方面變得可行。然而，在更高功率下的使用受到電壓額定值和可實(shí)現(xiàn)的導(dǎo)通電阻的限制。一個(gè)主要的發(fā)展是 70 年代后期的絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)，它結(jié)合了類(lèi)似 MOSFET 的柵極驅(qū)動(dòng)和類(lèi)似雙極的傳導(dǎo)路徑，具有易于驅(qū)動(dòng)和固定飽和電壓的優(yōu)點(diǎn)，因此功耗名義上與電流成正比，而不是與 MOSFET 中的電流平方成正比。然而，IGBT 并非沒(méi)有自己的問(wèn)題，有閉鎖的趨勢(shì)，會(huì)帶來(lái)災(zāi)難性的后果。關(guān)斷時(shí)的“尾電流”也使動(dòng)態(tài)損耗相對(duì)較高，從而限制了工作頻率?，F(xiàn)代 IGBT 中的閂鎖問(wèn)題現(xiàn)已解決，尾電流最小化，而電流和電壓額定值已顯著增加，這使得這些部件在非常高的功率轉(zhuǎn)換中很常見(jiàn)。但是，由于動(dòng)態(tài)損耗，開(kāi)關(guān)頻率仍被限制在最大幾十千赫茲。

使用 SiC 器件作為開(kāi)關(guān)元件的電源系統(tǒng)效率最高可提高 6%。它們通?？梢猿惺鼙葌鹘y(tǒng)電源系統(tǒng)更高的結(jié)溫。

SiC FET 的柵極驅(qū)動(dòng)性能要求不同于傳統(tǒng)的 IGBT 和 MOSFET 解決方案。SiC 器件可能需要大于 20 V 的正偏壓才能完全增強(qiáng)(打開(kāi))傳導(dǎo)通道。如果它們?cè)诟邷叵逻\(yùn)行，它們通常還需要負(fù)偏壓才能完全耗盡(關(guān)閉)。這樣，它們既不是簡(jiǎn)單的增強(qiáng)模式也不是耗盡模式設(shè)備。相反，它們兩者兼而有之。

除了柵極偏置考慮之外，盡管初始成本較高(但迅速下降)，SiC FETS 仍具有優(yōu)勢(shì)。截至今年年初，這些器件的運(yùn)行成本大約是具有類(lèi)似電流處理能力的 IGBT 成本的 2.5 倍。當(dāng)考慮整個(gè) MLB(材料、勞動(dòng)力和負(fù)擔(dān))時(shí)，這種成本差異可能并不重要。效率節(jié)省(如上所述)也將有助于償還更高的 MLB 成本。即使是 0.15 美元/千瓦時(shí)，在總功率為 10 千瓦的設(shè)備上也可以節(jié)省近 0.08 美元/小時(shí)。

多年來(lái)，這可能會(huì)顯著增加?？紤]到 10 年的使用壽命，對(duì)于需要每天 24 小時(shí)、每周 7 天、每年 52 周運(yùn)行的設(shè)備，這可以節(jié)省超過(guò) 8,000 美元的電費(fèi)。還要考慮到這些部件更高的峰值溫度能力可能意味著更少的停機(jī)時(shí)間。這會(huì)帶來(lái)額外的節(jié)省。

該市場(chǎng)的一些新興參與者包括 Cree、Microsemi 和 Powerex。其中一些設(shè)備由 Digikey、Mouser 和其他大型分銷(xiāo)商定期備貨。這意味著設(shè)備已達(dá)到商品狀態(tài)。

這些器件還允許在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)更快的開(kāi)關(guān)頻率，從而降低濾波器電路所需的電感值。由于減少了電感器所需的材料和相應(yīng)的 PC 板面積，這意味著在該面積上進(jìn)一步節(jié)省。請(qǐng)注意，EMI(電磁干擾)可能會(huì)在這些較高的開(kāi)關(guān)頻率下出現(xiàn)問(wèn)題，因此建議在此區(qū)域采取額外的預(yù)防措施。

應(yīng)用包括各種電力設(shè)備或子系統(tǒng)：太陽(yáng)能逆變器(又名用于光伏陣列的微型逆變器)、功率因數(shù)校正 (PFC) 電路、PWM 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器或控制器，以及許多不同的 SMPS 拓?fù)洹?