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在混合电源设计上,Si、SiC、GaN如何各司其职?

发布时间:2024-07-08 来源:中自网 类型:行业资讯 人浏览
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导  读:

今年5月英飞凌公布了专为AI数据中心设计的PSU(电源供应单元)路线图,在3.3kW、8kW、12kW的PSU方案上,都混合采用了硅、氮化镓、碳化硅三种功率开关管,电子发烧友近期对此也进行了报道。在电源、逆变器等领域,近年第三代半导体的兴起,让各种采用SiC和GaN的方案出现在市场上,同时也包括多种器件混合使用的方案,所以这些...,开关,光伏,IGBT,开关,SiC

 
今年5月英飞凌公布了专为AI数据中心设计的PSU(电源供应单元)路线图,在3.3kW、8kW、12kW的PSU方案上,都混合采用了硅、氮化镓、碳化硅三种功率开关管,电子发烧友近期对此也进行了报道。在电源、逆变器等领域,近年第三代半导体的兴起,让各种采用SiC和GaN的方案出现在市场上,同时也包括多种器件混合使用的方案,所以这些混合方案都有哪些优势?

混合电源方案怎么选择器件?

SiC和GaN、Si等功率开关,特性都各有不同,因此可以说最贵的、最新的也未必是最好的,还得要看适不适合实际的应用场景。以开头我们说到的英飞凌PSU方案为例,8kW PSU方案中,AC-DC级采用了多级PFC和SiC MOSFET,令该部分的效率高达99.5%,功率密度也达到100W每立方英寸;而DC-DC级上采用了GaN FET。在AC-DC级的PFC电路中,需要对高压的交流电转化成直流电,在这个过程中,为了提高能源利用效率,必须要降低损耗。同时,由于工作在高电压、强电流的工况下,对器件的耐高温、热稳定性要求较高。SiC MOSFET的耐压能力相对更高,且导通电阻相比硅基MOSFET更低、降低导通损耗能够有效提高系统的效率。

开关速度上,SiC MOSFET也远高于硅基器件,更高的开关频率,可以令PFC电路工作在更高的频率下,缩小磁性元件和电容器的尺寸,降低整体系统的体积。同时相比硅IGBT,SiC MOSFET没有拖尾电流的问题,可以进一步降低开关损耗。在热性能方面,SiC MOSFET具备良好的热稳定性,可以在高温环境下长时间工作,所以综合来看,SiC MOSFET在AC-DC级的PFC电路中更有优势。而在后级的DC-DC上,目前很多电源采用LLC拓扑,LLC转换器的核心优势之一是其软开关操作,即零电压开关(ZVS)和零电流开关(ZCS)。

因此,所选的功率器件必须能够承受在ZVS或ZCS条件下频繁开关,且在这些条件下具有低损耗。为了减小磁性元件的尺寸和提高效率,LLC转换器往往工作在较高的频率,因此功率器件需要能够支持高频开关而不增加过多的开关损耗。在导通状态下,也需要器件具备低导通电阻的特性,以提高DC-DC整体的转换效率,尤其是功率较大、电流较大的情况下。

GaN FET的开关频率可以比硅MOSFET和SiC MOSFET更高,在开关过程中损耗极低,这种特性也与软开关技术所匹配,采用GaN FET可以以极低的损耗在ZVS条件下快速切换,进一步提升了效率。所以在电源后级的DC-DC上采用GaN功率开关管相对更加适合。

混合分立器件和混合模块

除了在电路中应用不同的器件,一些单管器件中也可以集成不同材料的器件,同样是出于对器件的特性需求考虑。比如英飞凌面向光伏逆变器领域推出过一种650V混合SiC和硅基IGBT的单管产品,即将IGBT和SiC二极管做在同一个TO247-3/4封装中。一般来说,硅IGBT单管其实是将IGBT和FRD(快恢复二极管)封装成单个器件,而混合碳化硅分立器件将其中的硅FRD换成SiC二极管。由于SiC二极管没有双极型硅基高压FRD的反向恢复行为,混合碳化硅分立器件的开关损耗获得了极大的降低。

英飞凌将这种产品称为混合SiCIGBT,兼顾了IGBT的高性价比和SiC二极管的超低反向恢复电流优势。根据测试数据,SiC二极管对IGBT的开通损耗影响很大,在集电极电流Ic=25A时降低70%,总开关损耗能够降低55%。基本半导体的测试数据也显示,这种混合碳化硅分立器件的开通损耗比硅基IGBT的开通损耗降低约32.9%,总开关损耗比硅基IGBT的开关损耗降低约22.4%。SiC二极管在近几年的价格得到了明显下降,混合碳化硅分立器件整体的成本相比硅IGBT和硅FRD实际相差不会太大,因此未来会有很大的市场机会。

功率模块方面,IGBT+SiC SDB的模块已经较为常见,另外还有一种功率模块是采用SiC MOSFET和硅IGBT混合封装,目前业界的方案大概是使用2颗SiC MOSFET配套6颗硅IGBT封装成模块,当然这个比例还可以灵活调配。这种方式的好处是,可以同时利用SiC和IGBT的优势,通过系统控制,令SiC运行在开关模式中,IGBT运行在导通模式。SiC器件在开关模式中损耗低,而IGBT在导通模式中损耗较低,所以这种模式有可能实现在效率不变的情况下,降低SiC MOSFET的使用量,从而降低功率模块的整体成本。

对于实际的应用来说,方案能否快速实现推广,还是要看成本是否有优势。在过去SiC等第三代半导体产品价格居高不下,供应也无法跟上电动汽车等应用的需求爆发,成本过高自然也催生出一些比如IGBT+SiC SBD等的混合模块方案。不过目前SiC、GaN等成本逐步下降,以及比如AI数据中心等的节能需求提高,相关电源等方案则更加着重于提高整体系统效率,根据应用需求来选择在不同的电路中选择更匹配的器件。

 

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