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使用新的半导体技术提高功率转换效率

发布时间:2021年08月18日    点击:[4]人次

使用新的半导体技术提高功率转换效率

宽带隙半导体是高效功率转换的推动者。可以选择使用的器件,包括 SiC FET,一种硅和 SiC 技术的混合体。本文讨论了这些设备与其他方法相比的特点中国机械网okmao.com。

高效率是电力转换领域的普遍目标——它有助于节省成本和能源、减少对环境的影响、更小、更轻、更可靠的设备和更好的功能。这一点在当前和新兴的应用中更是如此。例如,据说服务器群消耗了全球超过 1% 的能源,这些能源来自电子产品和空调散发的热量 [1]。在应用中,服务器刀片的端电压在数百安培的电流水平下可能低于 1V,这可能会导致互连电阻和半导体压降的损失更大。

数据中心使用配电方案来最大限度地提高效率

系统架构师提高效率的努力得到了回报,尽管同期互联网流量增加了 10 倍,数据中心存储量增加了 20 倍,但服务器群能源消耗从 2010 年到 2018 年仅增加了约 6% [1]。这是通过从 AC 电源向下转换为负载电压的中间总线方案实现的,“当前趋势是内部总线在 385VDC 左右,源自 AC-DC 功率因数校正级,然后通过隔离进行向下转换,连接到带有备用电池的 48V 总线,然后是隔离或非隔离的“负载点”DC-DC 转换器(图 1)。

图 1:典型的现代数据中心电源布置

在“80+ Titanium”等标准的推动下,单个电源转换级的效率也得到了显着提高,该标准的目标是在 50% 负载和 230VAC 输入下达到 96% 的效率。新的拓扑结构已经实现了这一点,例如“无桥图腾柱 PFC”级和谐振 DC-DC 转换器,例如移相全桥和“LLC”转换器,但半导体技术也在进步,特别是随着使用碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN) 中的宽带隙开关。

电动汽车推动效率进步

可以说,现代 EV 是一个移动数据中心,其中加入了大量工业规模的电动运动控制(图 2). 因此,功率转换和电机控制效率是运输方式固有可行性的关键,随着改进推动转换器和电池更小尺寸和重量的良性循环,以更低的成本实现更远的距离。主要的锂离子电池范围从轻度混合动力车的 48V 到全电动版本的 400-800V。在所有情况下,都需要一个牵引逆变器,通常是双向的,带有用于辅助服务的各种 DC-DC 转换器。在大多数情况下,需要车载 AC-DC 充电器(通常也是双向的)将能量返回电网以获得现金信用。宽带隙半导体再次因其低损耗而被使用。当通过控制电子设备动态配置为开关或同步整流器时,它们可以促进正向和反向能量流动。

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图 2:典型的 EV 电源转换元件

将牵引逆变器从 IGBT 技术转换为 SiC 或 GaN 存在一些阻力,因为宽带隙器件的高频能力没有明显价值,低于 20kHz 的开关仍然很典型。IGBT 在这些频率下可以很高效,并且它们具有长期的低成本耐用性记录。然而,现在使用 SiC 可以显着降低导通损耗和残余开关损耗,因此越来越多地采用该技术。IGBT 还需要并联二极管用于电机驱动和双向功能,而 SiC 具有集成二极管,但不一定具有高性能。

高效电源转换拓扑

所有电源转换器都分为两个基本类别:隔离格式的“降压”和“升压”或等效的“正向”和“反激”。在所有情况下,最少有一个开关和一个二极管,最复杂的多级变体可能有数十个半导体。为了获得高效率,二极管被“同步整流器”取代,同步整流器是一种通过主动控制二极管来模拟二极管的开关。现在,半导体压降和随之而来的传导损耗仅由器件导通电阻定义,并且可以通过选择最经济实惠的器件来最小化。

开关损耗更难控制;更快的边缘通常会导致更少的电压和电流重叠以及随之而来的瞬态耗散,但损耗与开关频率成正比增加,因此如果推动 SiC 或 GaN 的限制以减小磁性元件的尺寸、成本和重量,开关损耗仍然可能充实。出于这个原因,“软”或谐振开关在电流上升被延迟直到电压在开启(零电压开关或 ZVS)或类似的零电流开关 (ZCS) 时下降到零的拓扑中是首选. 控制确保 ZVS 和 ZCS 可能很复杂,具体取决于工作条件,并且设计用于谐振操作的转换器在过载或瞬态输入条件下可能会陷入有损“硬”开关。一些转换阶段,例如实际中的图腾柱 PFC,必须在高功率下以硬开关“连续导通模式”(CCM)运行。不连续或临界传导模式的替代方案会在开关和磁性元件中产生不可接受的高峰值电流和 RMS 电流。

高效拓扑的一个例子——LLC 转换器

为了说明高效率的设计技术,我们可以看看 LLC 转换器,之所以如此命名,是因为初级由一个电容器和两个电感组成的谐振电路组成,其中一个是变压器初级绕组(图 3)。

图 3:LLC 转换器轮廓

两个开关 Q1 和 Q2 的工作方式类似于“降压”转换器,但只是由恒定的、接近 50% 的占空比、具有受控死区时间的反相信号驱动。这对由 L1 和 T1 初级形成的谐振回路产生方波驱动,简单地说,当方波处于谐振回路的谐振频率时,阻抗最小,输出电压最大。驱动高于或低于谐振时,阻抗上升,输出减少。因此,通过改变频率,可以调节输出电压。实际上,在正常条件下将操作设置为高于谐振,这样油箱“看起来”是感性的,并且 Q1 和 Q2 自然会发生零电压切换。输出二极管中的零电流开关也自然发生。控制相当复杂,会发生多次共振,

开关寄生定义了高效拓扑的有效性

LLC 等电路的高效谐振操作受半导体及其特性选择的影响;输出电容C OSS和存储能量E OSS必须在开关前放电,例如,硅MOSFET中的值很高且可变。C OSS的充放电动作本身也会造成损耗。SiC MOSFET 通常具有较低的值,但在任何一种情况下,在制造过程中,MOSFET 都必须在导通电阻与 E OSS 之间进行权衡,因此一个有用的比较品质因数是 R DS(ON).EOSS。另一个有用的 FOM 是 R DS(ON).A,导通电阻和管芯面积的乘积,它们再次相互权衡——更小的管芯提供更好的单晶片产量和成本效益,但更小的通道面积提供更高的导通电阻。

反向传导特性也很重要——碳化硅 MOSFET 在其体二极管上具有高正向压降,在“死区”时间反向传导期间会产生传导损耗。下降幅度高于旧的 Si-MOSFET 技术。也存在 SiC MOSFET 反向恢复能量,尽管比典型的 Si-MOSFET 好得多。GaN HEMT 单元具有非常低的反向恢复,因为它们只是反向传导通过其沟道,但如果使用负关断状态栅极驱动电压,则压降甚至可能高于 SiC MOSFET,这会增加有效总压降。尽管增强型 GaN HEMT 单元在名义上以零栅极电压关闭,但通常建议使用这种负驱动,以避免在低阈值电压下误导通。源极连接和栅极驱动环路的公共电感是瞬态电压的典型原因,高漏极 di/dt 可能会导致这种影响。同样,为了表征跨开关类型的通道和反向传导损耗的影响,FOM RDS(ON)。Qrr很有用。

比较开关技术的选择

表 1总结了影响效率的器件特性和 FOM,包括两个硅超级结 MOSFET、一个 SiC-MOSFET、一个 GaN HEMT 单元以及我们现在可以讨论的替代方案,即 SiC FET,所有这些都适用于相同的电压和漏极当前类别的设备。

表 1:开关特性比较 - 650V/20A 级

该表清楚地显示了 SiC MOSFET 和 GaN 的动态特性优于类似类别的硅超结 MOSFET。然而,传导损耗相似,外壳和雪崩能量等级 Eas 的热阻通常更差。然而,SiC FET 也显示为替代方案。SiC FET 是 SiC JFET 和硅 MOSFET 的共源共栅排列,具有显着较低的导通电阻。与其他产品相比,它们通常采用银烧结芯片连接,大大提高了外壳的耐热性。用于 SiC FET 的动态 FOM 与其他技术一样好或好得多。

与 SiC MOSFET 和 GaN 单元相比,SiC FET 的一个主要实用优势是易于栅极驱动。碳化硅 MOSFET 必须在栅极驱动到 18V 左右才能完全增强,非常接近所示器件的绝对最大值 23V。栅极阈值电压也是可变的,并表现出一定的滞后。E-GaN 单元的阈值电压非常低,绝对最大值仅为 7V 左右,因此必须注意防止栅极电压瞬变或过冲引起的应力。相比之下,SiC FET 具有坚固的栅极,其阈值与 Si-MOSFET 甚至 IGBT 兼容,因此它们可以在 0-12V 电压下安全驱动,对于所述器件,绝对最大值为 +/-25V。如果应用 SiC FET 有任何问题,那就是它们的速度非常快,存在 EMI、过冲和振铃的风险。Si-MOSFET 栅极中的串联电阻不是控制这种情况的好方法,因为 SiC JFET 栅极在共源共栅布置中被隔离。然而,事实证明,较小的 RC 缓冲器是一种有效的解决方案,并且可以在管理 EMI 的同时将损失保持在最低限度。在具有大寄生电感的电路中关闭大电流时尤其如此。它还简化了快速开关设备的并行操作。

有多种宽带隙器件可供选择,可用于实现电源转换器的最高效率,而在过去,应用很大程度上决定了使用哪种器件。UnitedSiC [2] 提供的 SiC FET 可用于所有常见拓扑,以有效提高性能。