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电源转换器如何选用合适的Si/SiC/GaN功率开关组件?

时间:2020-11-27 作者:杨东益、林志宏 阅读:
本文探讨电源转换器设计者应该是沿用硅功率开关组件,还是转而选用宽带隙功率开关组件,先由硅和宽带隙材料的特性进行比较,再进入讨论CoolMOS,CoolSiC和CoolGaN的应用和定位,提供设计人员参考来选择合适的功率开关组件。
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一、  前言

电源转换器所使用的功率开关组件一直以来都采用硅(Silicon: Si)半导体材料为主,但是随着越来越多苛刻的应用与需求,硅半导体材料发展也趋近于材料本身的极限,使得硅功率开关组件已经无法完全符合需求,为了符合电源转换器设计的需求,近年来宽带隙材料诸如碳化硅(Silicon Carbide: SiC)和氮化镓(Gallium Nitride: GaN)应运而生并且已被成功地商品化,本文探讨电源转换器设计者应该是沿用硅功率开关组件,还是转而选用宽带隙功率开关组件,先由硅和宽带隙材料的特性进行比较,再进入讨论CoolMOS,CoolSiC和CoolGaN的应用和定位,提供设计人员参考来选择合适的功率开关组件。

二、  材料特性比较

目前,市场上绝大部分的功率组件从20V到数kV都是以硅的技术为基础,当硅的技术到达其极限,材料性质就会限制住功率半导体组件的效率提升空间,MOSFET(金氧半场效晶体管)是最常见的功率半导体组件,其导通电阻受限于崩溃电压,也就是磊晶层的特性,导通电阻的公式如式(1)

简化之后,就是”硅的极限”关系式

图1表示在不同材料之间,崩溃电压与单位面积导通电阻(RON X A)的关系,由图1的曲线可以清楚得知,碳化硅与氮化镓的宽带隙材料突破了硅甚至于以硅为材料的超结面(Super Junction)制程的极限线之半导体组件,而且分别距离其极限线还有一段距离,代表碳化硅与氮化镓未来在单位面积导通电阻与成本上还有很大的进步空间。

图1:半导体材料的崩溃电压相对单位面积导通电阻

相较于硅的半导体组件,宽能隙的半导体组件提供了许多优点,图2比较硅、碳化硅和氮化镓的材料特性,宽能隙材料有较高能阶,能阶代表将电子从价电带移动到导电带需要施予多少能量,能阶越高代表组件具有较高的耐压,宽能隙材料的氮化镓的能阶为3.5eV及碳化硅为3.3eV,都相较于硅的1.1eV来的高。另外碳化硅材料有着优异的热传导特性,在高功率、高温度的应用场合就非常合适选用。而饱和电子移动速度可以用来表示其反应速度,另外在氮化镓结构产生的特性:二维电子气(2DEG; 2-Dimensional Electron Gas),此二维电子气的电子迁移率极高,因此能达到非常快的切换速度。

图2:Si/ SiC/ GaN半导体材料的特性

碳化硅功率开关组件主要使用六方晶型4H-SiC,在提升碳化硅功率开关组件性能上最大的挑战是如何制作出高质量的闸极氧化层。在碳化硅闸极氧化层的界面陷阱电荷让电子电洞不易流动,会造成通道迁移率降低,使得通道电阻上升、功率损耗增加及通道电流下降,因此需要将较强电场施加到闸极氧化物层以进行传导,通过提高驱动电压(VGS)或减少闸极氧化层的厚度可以提供较强电场到闸极氧化物层,让通道电阻降低、流过预期电流及减少损耗。

一般碳化硅功率开关组件采用水平式闸极(DMOS)的结构,如图3左图所示,须要增加驱动电压来降低界面的陷阱密度让信道电阻降低,但是较高的驱动电压会影响碳化硅功率开关组件的可靠度。使用沟槽式闸极结构(TMOS)来制作碳化硅功率开关组件,如图3右图所示,可以有效降低陷阱密度,兼顾碳化硅功率开关组件的性能和可靠度。

图3:不同的碳化硅功率开关组件的闸极结构

相较于硅功率开关组件和碳化硅功率开关组件,氮化镓功率组件使用横向结构的水平型设计,如图4所示,氮化镓可以用异质磊晶的方式成长在硅基板上,如此一来就可以藉由成熟的6吋、 8吋和12吋的硅制程来提升产能和降低成本。另外在结构上的氮化镓(GaN)和氮化镓铝(AlGaN)间会产生一层薄但密度高的高迁移率自由电子层;二维电子气(2DEG; 2-Dimensional Electron Gas),此二维电子气的电子迁移率极高,因此能达到非常快的切换速度,所以将其称为氮化镓高速电子迁移率场效晶体管(GaN HEMT; High Electron Mobility Transistor)。

图4:氮化镓功率组件结构

在表1中,使用600V CoolMOS C7、600V CoolMOS CFD7、600V CoolGaN Gen 1和650V CoolSiC Gen1来比较4种质量因素(RDS(on)* Qoss、RDS(on)*Qrr、RDS(on)*Eoss、RDS(on)*Qg)间的差异。为了公平比较,使用接近的导通电阻(RDS(on))作比较,典型值是55mohm左右,最大值约是70mohm。

1. RDS(on)* Qoss: 有助于评估死区时间(dead time)、谐振电流设置及谐振拓扑操作在高频。这对于获得更高效率的设计很重要。碳化硅和氮化镓相较硅功率开关组件在软切换的应用上更适合高频操作及可以达到较高的效率。

2. RDS(on)*Qrr: 对于理解重复硬换向的实现非常重要,碳化硅和氮化镓在半桥相关架构应用上可以有较高的可靠度。这一个质量因素也可以得知碳化硅和氮化镓能应用在CCM totem pole PFC相关的架构上。

3. RDS(on)*Eoss: 这相关于硬开关拓扑中的开关损耗,例如CCM Boost PFC架构。虽然碳化硅在这之中的参数值较高,但碳化硅有较佳的RDS(on)对应温度特性,用比较高RDS(ON)的规格可以换得较低的Eoss及较低的开关损耗。

4. RDS(on)*Qg: 有助于估算驱动损耗。这在应用的轻负载条件下尤为重要。

另外由源极到汲极的电压降(Vf)参数可以了解硅和碳化硅功率开关组件的体二极管以及氮化镓功率开关组件的“电压降”如何在死区内发挥作用。虽然CoolSiC和CoolGaN的Vf较CoolMOS高,但其相对所需死区时间较少,所以对于Vf在死区时间内的损耗影响不大。

整体来看,CoolGaN在这些质量因素的比较中都有较佳的特性,可以合适应用在较高的切换频率、较高的效率及高的功率密度且无硬换向问题,可以被运用到类似Totem Pole PFC的架构上。CooSiC的特性也适合在Totem pole PFC上,在RDS(on)* Qoss和RDS(on)*Qrr也有较佳的参数,所以在谐振架构上也可以得到较好的性能及较高的可靠度。

表1:Si/ SiC/ GaN质量因素比较表

在图5中,将CoolMOS、CoolSiC和CoolGaN的RDS(on)标准化后,用标准化的RDS(on)来比较温度对其RDS(on)影响的差异,原本在接面温度(Tj)25℃的RDS(on)到100℃时,CoolGaN较CoolSiC多了30%的RDS(on),而CoolMOS甚至比CoolSiC多了50%的RDS(on),在RDS(on)对应温度的变化,可以了解CoolSiC表现较佳,甚至可以用较高RDS(on)来和CoolGaN或是CoolMOS做对应。

图5:RDS(on)对应温度的变化

三、  应用在功率因素修正(PFC)架构

依据效率要求来看PFC架构的演进,如图6所示,传统的PFC架构换成Dual Boost可以达到98%效率,如果要简化线路架构,可以使用半桥(HB) Totem Pole PFC架构来达到98%效率。

要达到99%效率,可以使用TCM(Triangular Conduction Mode) Totem Pole PFC或是全桥(FB) Totem Pole PFC,当效率要提升到99.5%的高效率,则需要使用TCM Totem Pole PFC + GaN/SiC。其中硅功率开关组件因为Qrr的特性,不能被使用在半桥Totem Pole PFC和全桥Totem Pole PFC,只能使用在TCM Totem Pole PFC的架构上。

图6:PFC架构的演进

比较CoolMOS、CoolSiC和CoolGaN在四种不同电路架构(CCM Totem Pole、Dual boost、H bridge、TCM Totem Pole PFC)中的差异,输入电压为230Vac、输出电压为400Vdc、输出功率为3kW,由于在标称输入电压期间,50%负载下的效率目标要到达99%,且要确保PFC电感不饱和,开关频率设定从70%的负载开始,将切换频率从45kHz提高到65kHz,其效率曲线如图7所示。    在CCM FB Totem Pole PFC的架构上,CoolGaN和CoolSiC之间的RDS(on)选择差异是由于CoolSiCTM有较佳的RDS(on)温度依赖性。

由效率曲线可以得知CoolGaNTM搭配CCM Totem Pole PFC架构可以符合效率目标的设定。CoolSiC搭配CCM Totem Pole PFC架构在负载的30%和40%时达到了目标效率,但在负载的50%时只有勉强满足。CoolMOS使用TCM Totem Pole PFC的电路架构可以让CoolMOS的效率和宽能隙的CCM Totem Pole 架构作效率的竞争比较,让CoolMOS在架构的搭配下也可以得到高的效率,但是电路相对会比较复杂。

H-Bridge和Dual boost的架构可以达到98.5%效率,但要达到99%的效率,采用Totem Pole PFC会比较合适。

图7:PFC架构效率比较

四、  应用在直流转换器(DC/DC Converter)架构

采用半桥LLC的架构在直流转换器的比较,设定工作在三个不同的谐振频率100kHz、300kHz和500kHz,而且磁性组件是针对各个谐振频率而设计和优化,效率如图8所示。

设定50%负载时的效率为97.5%,用来符合80 Plus钛金标准的最低要求。半桥LLC在100kHz的谐振频率下,这三种功率开关组件都可以满足至少97.5%的最低效率要求。在300kHz的共振频率下也都可以符合需求,但是我们已经可以观察到这三种功率开关组件的差异,CoolMOS即将达到极限。而进一步将谐振频率提高到500kHz后,CoolMOS不再能够满足最低效率要求,另外CoolSiC也已经接近极限,以结果来看CoolGaN是这应用中唯一能够符合500kHz效率要求的组件,而且有足够的余度。

图8:DC/DC架构在负载50%的效率比较

另外80 Plus钛金在负载10%的效率也有要求,在这里将效率目标固定为94%,效率如图9所示。在100kHz的谐振频率下,这三个功率开关组件都可以符合要求,但是在300kHz时,CoolMOS和CoolSiC都无法满足要求,在500kHz也只有CoolGaN可以符合。在10%的负载下,CoolGaN也是唯一在500kHz谐振频率下能够满足80 Plus钛金效率标准的组件。

图9:DC/DC架构在负载10%的效率比较

五、结论

本文介绍硅、碳化硅和氮化镓材料组件之特性并做比较,硅功率开关组件有很好的易用性和较高的性价比,且已经被广泛的应用到各领域,在没有特殊设计规格要求下,目前硅功率开关组件仍是首选。氮化镓可将应用的范围往高频延伸,具有最佳的效率、功率密度的关键质量因子,也可以使用在硅功率开关组件无法使用的架构上,例如Totem Pole PFC的架构,且适合任何硬切换和软切换的架构,对于在半桥架构上的硬换向也具有高的可靠性。碳化硅和氮化镓相同可以使用在Totem Pole PFC的架构,在半桥架构上的硬换向也同样有高的可靠性,具有优良的热传导特性,适合在高功率与高温操作条件的应用。

作者:杨东益、林志宏,英飞凌科技

责编:Amy Guan

本文为《电子工程专辑》2020年11月 刊杂志文章,版权所有,禁止转载。点击申请免费杂志订阅  

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