碳化硅 FET 在 SMPS 應(yīng)用中大放異彩

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

當然，(近乎)完美的電氣開關(guān)已經(jīng)存在很長時間了，但我們在這里不是在談?wù)摍C械?，F(xiàn)代電源轉(zhuǎn)換依賴于理想情況下沒有電阻的半導(dǎo)體開關(guān)，當打開時沒有電阻，關(guān)閉時具有無限電阻和耐壓，并且能夠通過簡單的驅(qū)動在兩種狀態(tài)之間切換，任意快速，并且沒有瞬時功耗。

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、電機驅(qū)動器等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)高功率轉(zhuǎn)換效率。隨之而來的好處是減少了設(shè)備尺寸、重量和故障率，同時降低了采購成本和生命周期成本。有時，會超出一個簡單的效率閾值，從而打開整個應(yīng)用領(lǐng)域。例如，如果電機驅(qū)動器損耗過大并因此又大又重，則電動汽車幾乎不可行，而這又需要更多的電池功率，同時又會導(dǎo)致重量和續(xù)航里程的進一步損失。從近 75 年前的 Shockley、Bardeen 和 Brattain 時代開始，工程師們因此一直致力于改進半導(dǎo)體開關(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現(xiàn)的導(dǎo)通電阻的限制。一個主要的發(fā)展是 70 年代后期的絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)，它結(jié)合了類似 MOSFET 的柵極驅(qū)動和類似雙極的傳導(dǎo)路徑，具有易于驅(qū)動和固定飽和電壓的優(yōu)點，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 并非沒有自己的問題，有閉鎖的趨勢，會帶來災(zāi)難性的后果。關(guān)斷時的“尾電流”也使動態(tài)損耗相對較高，從而限制了工作頻率?，F(xiàn)代 IGBT 中的閂鎖問題現(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。但是，由于動態(tài)損耗，開關(guān)頻率仍被限制在最大幾十千赫茲。

使用 SiC 器件作為開關(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(打開)傳導(dǎo)通道。如果它們在高溫下運行，它們通常還需要負偏壓才能完全耗盡(關(guān)閉)。這樣，它們既不是簡單的增強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。截至今年年初，這些器件的運行成本大約是具有類似電流處理能力的 IGBT 成本的 2.5 倍。當考慮整個 MLB(材料、勞動力和負擔)時，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，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。

多年來，這可能會顯著增加。考慮到 10 年的使用壽命，對于需要每天 24 小時、每周 7 天、每年 52 周運行的設(shè)備，這可以節(jié)省超過 8,000 美元的電費。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時間。這會帶來額外的節(jié)省。

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

這些器件還允許在系統(tǒng)中實現(xiàn)更快的開關(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一步節(jié)省。請注意，EMI(電磁干擾)可能會在這些較高的開關(guān)頻率下出現(xiàn)問題，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 電機驅(qū)動器或控制器，以及許多不同的 SMPS 拓撲。