功率器件的演變

Ali Husain

隨著世界中產(chǎn)階級的增加以及汽車、暖通空調(diào)（HVAC）和工業(yè)驅(qū)動更加電氣化，電力需求只會增加。在每個功率級（發(fā)電、配電、轉(zhuǎn)換和消耗）所能達(dá)到的能效將決定整個電力基礎(chǔ)設(shè)施的負(fù)擔(dān)增加程度。在每個功率級，能效低會導(dǎo)致產(chǎn)生熱量，這是主要的副產(chǎn)物。通常，消除熱量或以其他方式處理熱量需要消耗更多的能量。因此，減少每一功率級產(chǎn)生的廢熱具有相當(dāng)大的影響。

在轉(zhuǎn)換級，電力電子器件產(chǎn)生的熱量主要歸咎于導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗。更高能效的半導(dǎo)體意味著更少的熱量，因此也減少了能源浪費。低能效的半導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量是不可利用的，且大多是不需要的，但得益于半導(dǎo)體技術(shù)和材料的不斷改進(jìn)和能效提高，越來越可避免產(chǎn)生大量的熱量。

功率半導(dǎo)體的不斷發(fā)展在很大程度上是由終端市場的需求驅(qū)動的。如今，所有垂直行業(yè)、市場或應(yīng)用都有其特定的功率需求。即使在近期，這些不同的需求不得不以基本相同的半導(dǎo)體技術(shù)來滿足：硅FET。對所有應(yīng)用都使用相同的技術(shù)，不可避免地會導(dǎo)致一些應(yīng)用表現(xiàn)出比其他應(yīng)用更大的損耗，這完全是由于器件的局限性；沒有哪一種技術(shù)/方案是萬能的，我們需要根據(jù)需求去定制。

目前，功率開關(guān)有幾種不同的選擇。功率MOSFET是最基本的器件，多用于擊穿電壓低于200 V的應(yīng)用。超級結(jié)MOSFET是它的延伸，旨在實現(xiàn)更高的電壓，具有相對快速的開關(guān)特性。IGBT可看作是雙極結(jié)晶體管和MOSFET的混合體，它的開關(guān)波形較慢，但很適合硬開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，用于大功率應(yīng)用。

如今，在應(yīng)用于特定電源應(yīng)用時，包括碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）在內(nèi)的廣義上的寬禁帶（WBG）技術(shù)已發(fā)展到每項指標(biāo)都可挑戰(zhàn)硅FET和IGBT。WBG帶來的主要優(yōu)勢之一是其在高頻下高效開關(guān)的能力，這可直接轉(zhuǎn)化為電源中更小的無源、磁性元件。另一個優(yōu)勢是其相對沒有反向恢復(fù)電流，能在各種電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中代替二極管，這不僅提高了整體能效，而且有可能實現(xiàn)全新的架構(gòu)。

WBG功率晶體管的開發(fā)為OEM廠商提供了更廣泛的開關(guān)方案選擇，從而可以替代拓?fù)涮峁└叩哪苄Ш凸β拭芏取＿@種選擇水平不僅在現(xiàn)有應(yīng)用中具有優(yōu)勢，實際上還實現(xiàn)了全新的用電方式。圖騰柱PFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是個很好的例子，若選用WBG器件則會更有益和可行。

從目前的許多應(yīng)用來看，幾乎所有領(lǐng)域都表現(xiàn)出對電力電子的強(qiáng)烈需求。在汽車行業(yè)，動力總成的功能電子化趨勢仍在繼續(xù)。隨著混合動力汽車和純電動汽車的發(fā)展，需要AC-DC和DC-DC轉(zhuǎn)換用于車載電池充電和電動機(jī)驅(qū)動。現(xiàn)在，可再生能源在整個電力基礎(chǔ)設(shè)施中占有較大的比重，且這一比重還將不斷增長。在光伏發(fā)電中，要求逆變器能夠把電壓相對低、但電流高的直流電轉(zhuǎn)換為交流電供更廣泛的電網(wǎng)使用。一個補(bǔ)充的應(yīng)用領(lǐng)域是利用電池儲能來穩(wěn)定對電網(wǎng)的需求。該技術(shù)正在取代能效較低的燃煤和天然氣發(fā)電機(jī)，因為這些發(fā)電機(jī)每次上線時都需要進(jìn)行物理旋轉(zhuǎn)來提速，通常用于相對短時間運行的應(yīng)用。

電力的生產(chǎn)方式正在從化石燃料轉(zhuǎn)向可再生的“綠色”能源，如太陽能、風(fēng)能和波浪能。這些自然能源比能源行業(yè)所使用的資源如天然氣和燃煤的合規(guī)性要低。這在過去意味著每瓦特的成本更高，不過現(xiàn)在這種情況正在改變。更高效的電力電子技術(shù)是太陽能和風(fēng)能成本低于化石燃料的原因之一。WBG的出現(xiàn)和傳統(tǒng)半導(dǎo)體技術(shù)的不斷進(jìn)步意味著可再生能源現(xiàn)在更加可行，并將在未來的電氣化系統(tǒng)中發(fā)揮更大的作用。

1 高能效是推動力

電力負(fù)載所需的電壓和電流水平相差很大，可從其由微到兆的量級明顯看出。當(dāng)電能到達(dá)其終端應(yīng)用時，其功率將處于最低水平。這種受控的減少需要轉(zhuǎn)換，如前所述，它是功率級的倒數(shù)第二級，可以說最重要的也在于能效。

運行中的電源（發(fā)電機(jī)）與使用中的能源消耗設(shè)備（電子設(shè)備）數(shù)量的比值太大就沒有意義。業(yè)界預(yù)計，將有數(shù)百億臺新設(shè)備上線作為物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的一部分，而我們卻沒有看到發(fā)電機(jī)數(shù)量的相應(yīng)增長。為了維持這一趨勢，提高電力生命周期的每一級能效變得至關(guān)重要。

IoT無疑將帶來大量的新設(shè)備，但實際上，有更多的設(shè)備已經(jīng)投入使用并消耗電力，還有相當(dāng)數(shù)量的設(shè)備正在開發(fā)或生產(chǎn)。雖然不是所有這些設(shè)備都將聯(lián)接到全球數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，但它們將以某種方式成為國家電力網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷。這些設(shè)備中的每一個所表現(xiàn)出的低能效都會導(dǎo)致總的電力損耗，或者說，每天每分鐘都會有能量以熱量的形式散失。為應(yīng)用選擇最佳的開關(guān)技術(shù)，這些損耗可降到最低。

WBG技術(shù)的主要特點，包括其相對較高的電子遷移率、高擊穿電壓、對高溫的耐受性和高帶隙能量使其適合于電源應(yīng)用。這些特點有利于其以比傳統(tǒng)硅基功率晶體管更高的頻率開關(guān)。它們還表現(xiàn)出較低的導(dǎo)通電阻，這在電源電路中至關(guān)重要，因為大部分的損耗在這里以熱量的形式發(fā)生。

例如，GaN晶體管能以MHz的頻率開關(guān)幾十kW。其高開關(guān)頻率使GaN晶體管對RF發(fā)射器和放大器等其他應(yīng)用具有吸引力，但真正使GaN適用于電源電路的是快速開關(guān)高壓的能力。同樣，SiC在開關(guān)速度和電壓方面也優(yōu)于硅FET和IGBT。SiC和GaN技術(shù)在品質(zhì)因數(shù)的交越有限，因此兩者是互補(bǔ)而非互相競爭，在高功率開關(guān)應(yīng)用中各有設(shè)計優(yōu)勢。

WBG的優(yōu)勢并非完全“免費”。除了相對較高的成本外，SiC和GaN都需要不同于硅FET和IGBT的門極驅(qū)動方案。有利的是，這些技術(shù)的供應(yīng)鏈正在迅速發(fā)展。安森美半導(dǎo)體現(xiàn)在為所有這些技術(shù)制定了戰(zhàn)略，包括硅FET、IGBT、SiC和GaN，以及專門為支持SiC和GaN而設(shè)計的相應(yīng)門極驅(qū)動器。

2 結(jié)束語

電子行業(yè)很清楚，能量轉(zhuǎn)換始終會以熱的形式產(chǎn)生一定程度的損耗。然而，更高效的功率半導(dǎo)體的不斷發(fā)展正使逆變器和轉(zhuǎn)換器的開關(guān)損耗接近絕對最小?，F(xiàn)在，在所有應(yīng)用中都需要更多含量的功率半導(dǎo)體及持續(xù)的更高能效。有利的是，安森美半導(dǎo)體在賦能技術(shù)的持續(xù)投資使之處于有利地位，可很好地滿足這一需求。