SiC和GaN用于功率轉(zhuǎn)換的前景分析

相信很多人都聽說過半導(dǎo)體，那么你知道碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)半導(dǎo)體在功率應(yīng)用方面(特別是在電源市場(chǎng)中)比硅半導(dǎo)體具有優(yōu)勢(shì)。但是，使用這些寬帶半導(dǎo)體(寬禁帶)的設(shè)計(jì)人員面臨著現(xiàn)實(shí)生活中的挑戰(zhàn)。

盡管硅半導(dǎo)體將保持多年主流地位，但在某些應(yīng)用中，客戶可以利用寬禁帶半導(dǎo)體的特性，包括改善的帶隙(eV)，擊穿場(chǎng)(MV / cm)，熱導(dǎo)率(W / cm-K)，電子遷移率(cm2 / Vs)和電子漂移速度(107 cm / s)。在不涉及半導(dǎo)體物理細(xì)節(jié)的情況下，可以說這些改進(jìn)的參數(shù)使寬禁帶半導(dǎo)體適合于高電壓，高開關(guān)頻率的應(yīng)用，同時(shí)提高了功率密度和散熱。

客戶需要更小，更低溫，更高效的產(chǎn)品。電源是一個(gè)充滿活力的市場(chǎng)，寬禁帶技術(shù)使設(shè)計(jì)人員能夠?qū)崿F(xiàn)這些改進(jìn)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。 寬禁帶半導(dǎo)體功率開關(guān)的主要優(yōu)點(diǎn)包括高電流密度，更快的開關(guān)速度和更低的漏源導(dǎo)通電阻(RDS(on))。從終端客戶的角度來看，這些設(shè)備性能的提高可帶來重大的系統(tǒng)級(jí)收益。在現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用中，客戶可以實(shí)現(xiàn)高溫操作，并降低整個(gè)系統(tǒng)的尺寸并減輕重量。但是設(shè)計(jì)人員需要了解，使用寬禁帶技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)需要在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行一些額外的工作。

傳統(tǒng)的硅半導(dǎo)體僅限于幾百千赫茲的開關(guān)頻率，而SiC和GaN都可擴(kuò)展到兆赫茲的范圍(圖1)。增加的開關(guān)頻率允許在設(shè)計(jì)中使用較小的磁性元件，但同時(shí)也帶來了電磁干擾(EMI)的挑戰(zhàn)。這只是設(shè)計(jì)師需要謹(jǐn)慎的一個(gè)例子。

更小，更低溫，效率更高

增加開關(guān)頻率是設(shè)計(jì)人員可用的最佳工具之一。雖然非常期望增加開關(guān)頻率的優(yōu)點(diǎn)，例如較低的損耗和減小的尺寸，但是存在風(fēng)險(xiǎn)。更快的開關(guān)速度會(huì)導(dǎo)致更高的開關(guān)瞬變。例如，在基于GaN電源開關(guān)的最新功率轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中，開關(guān)時(shí)間比傳統(tǒng)系統(tǒng)快約10至20倍。更快的開關(guān)速度(典型值為5 ns)和高電壓軌(≥600V)導(dǎo)致瞬態(tài)電壓增加(≥120kV / μs);因此，隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器的共模瞬變抗擾性(CMTI)發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

用于信號(hào)完整性和閂鎖抗擾性的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)隔離和光耦合柵極驅(qū)動(dòng)器CMTI值低于要求的水平。電容耦合和變壓器耦合的柵極驅(qū)動(dòng)器極大地提高了性能。最新的電容耦合解決方案規(guī)定CMTI的信號(hào)完整性高達(dá)200 kV / μs，閂鎖抗擾度高達(dá)400 kV / μs，這使其最適合當(dāng)今設(shè)計(jì)的高頻系統(tǒng)。

真實(shí)世界的應(yīng)用程序

讓我們考慮一下SiC和GaN在某些實(shí)際應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)。電動(dòng)汽車(EV)車外充電是最有趣和增長(zhǎng)最快的應(yīng)用之一，其中包括快速充電器和充電站的市場(chǎng)。 SiC確實(shí)可以在此應(yīng)用中增加價(jià)值。

工程師可能正在為各種客戶群體(例如市政當(dāng)局，企業(yè)和EV所有者)設(shè)計(jì)快速充電產(chǎn)品，并且每種產(chǎn)品的設(shè)計(jì)目標(biāo)都略有不同。這并不是一個(gè)詳盡的清單，但是一些最重要的目標(biāo)是可靠性，小尺寸，輕巧和高效，同時(shí)將充電時(shí)間保持在30分鐘或更短。 SiC器件可以幫助實(shí)現(xiàn)所有這些目標(biāo)。

除了上述功率級(jí)之外，設(shè)計(jì)人員還必須選擇合適的器件進(jìn)行柵極驅(qū)動(dòng)。適當(dāng)?shù)腟iC柵極驅(qū)動(dòng)器需要支持大功率MOSFET的快速開關(guān)時(shí)間以及較高的系統(tǒng)效率，并且需要在固有噪聲環(huán)境中保持穩(wěn)健。

實(shí)際上，這意味著柵極驅(qū)動(dòng)器必須驅(qū)動(dòng)高電流，并且必須具有低延遲和高抗擾性。精心的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)將產(chǎn)生可靠，性能良好且緊湊的充電站。有人可能會(huì)認(rèn)為，采用突破性技術(shù)的設(shè)計(jì)人員將需要在成本上做出妥協(xié)，但現(xiàn)實(shí)是，利用SiC的優(yōu)勢(shì)將降低充電站的整體成本。

至于GaN在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中的擴(kuò)展，無線充電是最熱門的領(lǐng)域之一。隨著無線充電成為手機(jī)越來越普遍的趨勢(shì)，GaN使工業(yè)客戶也可以利用該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。在高頻下，GaN表現(xiàn)出比硅最明顯的優(yōu)勢(shì)。硅用于較低功率的應(yīng)用中，但是隨著應(yīng)用需求擴(kuò)展到數(shù)十瓦甚至什至千瓦，效率變得越來越重要。更高的開關(guān)頻率不僅可以提高效率，還可以提供其他優(yōu)勢(shì)，客戶可以從中受益。以上就是SiC和GaN用于功率轉(zhuǎn)換的前景的分析，希望能給大家?guī)椭?