GaAs二極管是一種新型寬帶隙功率半導(dǎo)體，它為設(shè)計(jì)人員提供了一種在高性能功率轉(zhuǎn)換中權(quán)衡效率和成本的方法。高壓硅二極管具有較低的正向傳導(dǎo)壓降，但由于其反向恢復(fù)行為，會(huì)在電源轉(zhuǎn)換器中造成顯著的動(dòng)態(tài)損耗。碳化硅二極管的反向恢復(fù)行為可以忽略不計(jì)，但與硅相比，它確實(shí)表現(xiàn)出更高的體電容和更大的正向傳導(dǎo)壓降。由于 GaAs 技術(shù)能夠提供硅和 SiC的有用特性，本文比較了10kW、100kHz 相移全橋 (PSFB) 的性能。在此應(yīng)用中對(duì)GaAs、SiC 和超快硅二極管進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)試的結(jié)果表明，GaAs二極管以顯著降低的成本點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了與SiC相當(dāng)?shù)恼w效率。
1.為什么是砷化鎵?
(1)成本：用于GaAs二極管的晶圓的原材料成本及其固有的較低制造工藝成本，以及低價(jià)格實(shí)現(xiàn)了SiC性能的重要機(jī)會(huì)。封裝GaAs二極管的成本約為可比SiC部件的50%至70%。
(2)可用性：GaAs 作為一種材料已經(jīng)廣泛用于射頻應(yīng)用，并且是世界上使用量第二大的半導(dǎo)體材料。由于其廣泛使用，它可以從多個(gè)來源獲得，其制造工藝類似于硅。這些因素都支持該技術(shù)的低成本基礎(chǔ)。
2.軟切換還是硬切換?
與主流硅相比，碳化硅的性能在二極管和晶體管開關(guān)特性方面提供了顯著改善，但近年來的趨勢(shì)是使用軟開關(guān)拓?fù)湓谡麄€(gè)轉(zhuǎn)換器中實(shí)現(xiàn)最高水平的性能。這些軟開關(guān)拓?fù)浞浅＿m合GaAs二極管，使設(shè)計(jì)人員能夠從比SiC更低的傳導(dǎo)損耗中受益，而不會(huì)遭受普通硅會(huì)產(chǎn)生的額外動(dòng)態(tài)損耗。
由于強(qiáng)制零電壓轉(zhuǎn)換所需的循環(huán)諧振能量，軟開關(guān)拓?fù)渫ǔＴ诮o定功率輸出的功率半導(dǎo)體中運(yùn)行更高的RMS電流。具有較低正向壓降的GaAs等技術(shù)可以減少這種循環(huán)能量造成的損耗，并充分發(fā)揮開關(guān)零電壓操作的優(yōu)勢(shì)。
3.二極管造成的功率損耗
“理想”二極管將在不產(chǎn)生任何損耗的情況下執(zhí)行其功能，但任何實(shí)際二極管(包括寬帶隙器件)都與這種理想情況不同，其實(shí)際行為的不同方面會(huì)導(dǎo)致功率損耗。在大多數(shù)轉(zhuǎn)換器中，次級(jí)側(cè)二極管造成的損耗可以歸為以下三個(gè)主要方面之一：
當(dāng)二極管傳導(dǎo)電流時(shí)，非零正向壓降會(huì)導(dǎo)致傳導(dǎo)損耗。這種損耗機(jī)制與拓?fù)溆嘘P(guān)，但通常不是頻率的函數(shù)。
由于二極管的體電容引起的損耗，較高的電容導(dǎo)致較高的損耗。這是拓?fù)?頻率相關(guān)的，并且由此產(chǎn)生的損耗強(qiáng)加在轉(zhuǎn)換器中的其他組件上。
由于拓?fù)?頻率相關(guān)的反向恢復(fù)效應(yīng)造成的損耗。這些損耗在轉(zhuǎn)換器中的二極管和其他組件中出現(xiàn)。
上述損耗類型的相對(duì)水平取決于各個(gè)二極管的特性、拓?fù)溥x擇和工作頻率。正向傳導(dǎo)損耗相對(duì)容易計(jì)算，而由于二極管電容和Trr 引起的損耗更復(fù)雜。
4.二極管性能比較
在基準(zhǔn)測(cè)試期間比較了三個(gè)二極管，比較如圖1所示。
圖1 基準(zhǔn)二極管比較
數(shù)據(jù)比較表明，從正向傳導(dǎo)性能的角度來看，硅和砷化鎵的性能都更好，尤其是在高結(jié)溫下。從開關(guān)的角度來看，碳化硅具有明顯更高的電容，但反向恢復(fù)時(shí)間基本上為零。問題是，對(duì)于10kW PSFB 應(yīng)用，這些二極管特性將如何影響整體效率?
5.二極管造成的PSFB損耗
圖2顯示了典型的PSFB拓?fù)?，其中二極管在D1到D4位置進(jìn)行了基準(zhǔn)測(cè)試。PSFB 通過以50%的占空比運(yùn)行Q1/Q3和Q2/Q4晶體管對(duì)來運(yùn)行，每個(gè)晶體管對(duì)通過控制它們的相對(duì)相位來控制功率流。這種操作允許初級(jí)側(cè)器件Q1-Q4在很寬的負(fù)載條件范圍內(nèi)以零電壓切換工作。
D1-D4的組合電容加到電源變壓器和PCB的分布電容上，會(huì)在開關(guān)轉(zhuǎn)換期間導(dǎo)致D1-D4兩端的諧振電壓。
圖2 PSFB拓?fù)?/div>
為防止損壞D1-D4，使用緩沖器將諧振電壓鉗位到可接受的水平。在PSFB中，對(duì)有源緩沖器吸收的能量進(jìn)行量化是衡量動(dòng)態(tài)特性(電容和Trr)影響的直接方法。總轉(zhuǎn)換器效率與緩沖器耗散的綜合知識(shí)允許在此應(yīng)用中準(zhǔn)確地對(duì)二極管行為進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)試。
6.基準(zhǔn)測(cè)試結(jié)果
原型轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)用于最大500V/30A/10kW 的輸出曲線，圖3顯示了轉(zhuǎn)換器在600V 輸入下以330V/20A 輸出運(yùn)行的示例圖。示波器圖中的藍(lán)色軌跡(C3) 顯示了在有源緩沖器兩端測(cè)得的電壓，并且由于鉗位功率是鉗位電壓的直接函數(shù)，因此有源緩沖器設(shè)計(jì)為使用自己的控制回路運(yùn)行，以允許用戶將鉗位電壓設(shè)置為固定電平。在圖3的示例圖中，這是800V。
圖3 PSFB轉(zhuǎn)換器工作波形(C1/C2 是Q1/Q3和Q2/Q4對(duì)產(chǎn)生的電壓，C4是輸出整流器D1-D4兩端的電壓，C3是L2中的電流)
使用圖2中詳述的設(shè)計(jì)參數(shù)，圖4中所示的輸出曲線是可能的，其中彩色區(qū)域顯示了初級(jí)MOSFET的ZVS出現(xiàn)的區(qū)域，輪廓顯示了所需的相移?；鶞?zhǔn)測(cè)試是在固定的600Vdc輸入和恒定電流負(fù)載的情況下進(jìn)行的，該負(fù)載用于具有相移的輸出，然后更改設(shè)置輸出電壓。對(duì)于10A、15A和20A的輸出電流，效率和緩沖器功率耗散作為輸出電壓的函數(shù)進(jìn)行測(cè)量，如圖5所示。
圖4 具有ZVS 區(qū)域和恒定相移輪廓的PSFB輸出VI映射
圖5 PSFB效率(左)和緩沖器耗散(右)
從圖5中的結(jié)果可以得出幾個(gè)結(jié)論：
(1)基于GaAs和SiC的解決方案的整體轉(zhuǎn)換器效率幾乎相同，尤其是在更高的負(fù)載電流下。在更高的輸出電流下，由于GaAs有限Trr導(dǎo)致的略高的緩沖器損耗被較低的傳導(dǎo)損耗抵消，以提供相同的整體效率。
(2)由于高水平的緩沖器耗散(即與Trr相關(guān)的顯著損耗)，該應(yīng)用中的超快硅效率非常差。由于測(cè)得的緩沖器功率電平很高，因此使用Hyperfast Silicon的測(cè)試僅限于低功率。
(3)GaAs 和SiC緩沖器功率表現(xiàn)出類似的行為，表明由GaAs有限Trr引起的額外損耗在很大程度上被SiC器件的較高本機(jī)電容抵消。
根據(jù)這項(xiàng)實(shí)證工作，已經(jīng)開發(fā)了一個(gè)分析模型來將緩沖器損耗建模為二極管電容和Trr的函數(shù)。分析表明，在Trr期間，額外的能量被加載到諧振電路中，然后導(dǎo)致額外的鉗位耗散。因此，對(duì)于給定的工作點(diǎn)，緩沖器功率是二極管電容和Trr的函數(shù)。在所述的PSFB的情況下，對(duì)于500V/20A 輸出的工作點(diǎn)，分析模型可用于預(yù)測(cè)緩沖器損耗與二極管電容和Trr 的關(guān)系。這樣就可以比較三種二極管類型的行為，如圖6所示。
圖6顯示，對(duì)于GaAs和SiC，緩沖器功率大致相同，而SiC中的零Trr的優(yōu)勢(shì)被其較高的本機(jī)電容抵消。在超快硅的情況下，低二極管電容的好處被高得多的功率水平所淹沒，因?yàn)樗姆聪蚧謴?fù)時(shí)間長(zhǎng)。GaAs的低本征電容和Trr提供了像SiC一樣的動(dòng)態(tài)性能，并具有減少正向傳導(dǎo)損耗的額外好處。
圖6 Trr和電容的函數(shù)的緩沖器功率
在原型PSFB中，變壓器、輸出電感器和PCB布局提供了300pF的總負(fù)載電容。圖6中顯示的數(shù)據(jù)包括所有情況下的基線電容，總二極管電容基于四個(gè)二極管的貢獻(xiàn)。
小結(jié)
以上就是GaAs二極管在高性能電源轉(zhuǎn)換中的作用介紹了。在查看整體轉(zhuǎn)換器效率時(shí)，重要的是要了解所有主要的損耗機(jī)制，包括由二極管動(dòng)態(tài)特性引起的損耗機(jī)制。已經(jīng)表明，GaAs二極管中低正向壓降、低電容和低/穩(wěn)定Trr的組合提供了用于軟開關(guān)應(yīng)用(例如相移全橋)的出色特性組合。高增長(zhǎng)應(yīng)用中的高性能電力電子設(shè)備，例如電動(dòng)汽車充電，可以從GaAs 二極管提供的系統(tǒng)級(jí)成本降低機(jī)會(huì)中受益匪淺。
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