MOSFET,SJ MOSFET,IGBT,SiC,GaN...电源管理如何选型？

本文来源：Avnet Silica高级技术应用工程师Udo Blaga

在性能、成本、操作、尺寸、热效率和可用性之间进行设计抉择时需要权衡取舍。

图1：各种类型的电源

每个工程师都希望有一个完美的开关电源，该开关可以立即在“开”和“关”状态之间切换，并且在任何一种状态下都不会发生任何损耗。为了在两种状态之间切换时实现尽可能低的损耗，必须依靠各种特性的开关。它需要具有无限的击穿电压，当它处于关闭状态时，不允许任何电流流动，当它处于开启状态时，其两端的电压差会迅速平衡，也不需要花费任何时间来开启或关闭。

这样的开关并不存在。实际的开关具有有限的击穿电压，断开时会有泄漏电流，导通时会在两端存在压差，并且需要状态切换需要时间。在导通时和切换期间，所有实际开关始终会消耗一些功率。

新技术拓宽了开关选择

但是，以宽禁带半导体（例如碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN））形式出现的新材料技术正在提供可改善电路设计人员选择的选择，特性更接近理想的开关。与其他新技术一样，要获得这些回报是要有成本的，但这通常会被电路设计中其他地方的节省以及高性能所带来的商业价值所抵消。

例如，Si晶圆要比SiC便宜得多，因为可以更好地优化制造工艺以实现批量生产。SiC晶片的切割，研磨和抛光也比Si需要更长的时间，因为SiC较硬。尽管如此，额外的花费还是值得的，因为宽禁带的材料具有许多特性。

关于使用这些新器件进行正确的设计权衡很简单。显然，在3欧元的顶置式电源中用SiC MOSFET代替Si MOSFET是没有意义的。但是，可能有必要使用SiC二极管代替硅二极管来改善电源的功率因数校正（PFC）。这样可以将其转换效率提高1％或2％，并且还可以为热管理和机械设计人员提供了额外的设计余量。

用SiC MOSFET代替Si器件是否有意义？在某些情况下，是的，如果您可以调整电路的驱动器级以提供更高的栅极导通电压并应对有时可能为负的栅极截止电压。栅极驱动器设备已经可以用来匹配所需的驱动器和晶体管。进行此更改的好处在于，它可以将设计的开关频率提高三倍或五倍。通过启用较小的磁性元件和其他无源元件，从而节省了空间和成本。

相对较高的175至200°C的SiC工作温度值得吗？答案是肯定的，如果您可以使用较高的热裕度来升级器件的规格并将其出售到新应用市场中，或者减小散热器的尺寸从而缩小最终产品的尺寸。

对于某些工业和汽车应用，高工作温度范围也可能是一个有吸引力的选择。但是，这些市场可能对采用新技术持保守态度，因为他们需要新技术拥有很长的使用寿命。一些SIC器件供应商通过引入诸如“动态H3TRB高温高湿反向偏置”之类的测试来解决这一问题，以证明其零件的质量与传统的Si相似。

GaN器件又如何呢？目前，GaN技术正被用于制造单相电网供电应用的650V器件，例如开关电源，充电器和适配器。高压PFC、DC-DC和DC-AC转换器UPS系统和较小的太阳能逆变器。

图1列出了各种设备类型适当选择方案。

如果您对在不同类型的半导体器件和材料之间进行选择感到困惑，我们为您提供了一种简单的方法，此处概述了此方法。

根据操作条件选择设备

根据电源开关电路的工作条件，我们应在电源开关电路中使用哪种半导体器件？

让我们以H桥作为AC-DC转换器的设计为例。直流母线电压为370V，变压器中的电流约为3A，开关的工作频率为15至25kHz。出于安全原因，我们选择一种能够承受650V开关和至少30A的组件。我们没有胶合逻辑，计划使用硅绝缘栅双极晶体管（IGBT），硅超结（SJ），SiC或GaN器件。

图2：100W辅助器件中SiC MOSFET的简单示例电源

选择使用哪种器件的方法是关注其工作条件。我们可以通过回答以下一系列问题来做出选择：

·电路设计的开关频率是否低于20kHz？

·功率水平是否高于3kW？

·如果低成本很重要，那么系统成本低吗？

·由三相电网供电么？

如果以上任何一个答案为“是”，则最好的选择是Si IGBT。

如果设计不符合这些条件，那么下一组问题将有助于缩小选择范围：

·开关频率是否在20 kHz至100kHz之间？

·设计将在各种各样的线路和负载条件下运行吗？

·设计是否需要以适中的成本实现高效率？

·设计将由单相电网供电吗？

如果设计满足这些特性，那么最好的器件选择是Si SJ MOSFET。

如果设计不符合这些标准，那么我们可以继续选择：

·开关频率是否高于100kHz？

·设计将在各种各样的线路和负载条件下运行吗？

·数kw的功率吗？需要高效率吗？

·设计是否应允许功率双向流动？

·是由三相电网提供吗？

如果满足这些条件，则最好的器件选择是SiC MOSFET。

或者以下判断标准：

·设计的开关频率是否会高于100kHz且在MHz范围内？

·它将在各种各样的线路和负载条件下运行吗？

·该设计是否应支持最大功率密度和效率的中等功率（最高数百瓦）？

·设计将由单相电网提供吗？

如果设计确实满足这些标准，则最好的选择可能是GaN MOSFET。

根据目标应用选择设备

同样，我们可以通过一组标准来定义要使用的设备。通常，应围绕Si IGBT设计驱动功率超过250W的电机驱动器，运行功率超过3kW的功率因数校正（PFC）电路，运行功率超过5kW的太阳能/风能逆变器以及UPS和H桥逆变器。

图3：适用于AC-DC应用的中复杂度10kW六包PFC转换器

对于工作在250W以下的电动机驱动器，工作在75W至3kW之间的DC-DC转换器，中低功率PFC电路和LCC转换器，正向转换器电源，通用输入AC-DC反激电路以及太阳能微逆变器应使用Si SJ MOSFET。

应该使用SiC MOSFET来构建更高功率的设计，例如以3kW以上的功率运行的PFC电路，以5kW以上的太阳能逆变器，一些电动汽车和车载充电器以及一些不间断电源和嵌入式PFC电路。

图4：具有电源返回功能的复杂双向有源PFC转换器，用于AC / DC应用，逆变器或电动汽车车载充电器

最后，应围绕GaN MOSFET设计由单相电网供电，工作电压低于650V，工作电压在75W至750W之间，且需要小型，凉爽和便携式的应用。

在设备的性能，成本，操作要求，尺寸，热效率，可用性等之间，设计选择之间总是需要权衡取舍。引入Sic和GaN技术可能会通过引入更多选项使探索这些折衷变得更加复杂，但是在某些应用中，它可以帮助您的设计更接近于完美。