深度 | Si、SiC还是GaN？半导体开关技术各有千秋、却殊途同归

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宽禁带技术大行其道，一个重要原因是，相比于经典的硅开关器件，理论上氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）技术通常具有更加出色的性能。其性能提升包括降低通态电阻和提高热导率，这些特性有助于提高最终应用的能效和工作温度。对于开关电源（SMPS）应用，这意味着优化系统能效和提高功率密度。然而，要实现这些性能提升，仅仅将硅器件更换为宽禁带器件是不够的。此外，在某些情况下，硅器件实际上依然是最优技术之选。

高性能SMPS设计

过去几年，业界对一系列开关拓扑的选择日益趋同。功率因数校正（PFC）级和隔离式高压直流/直流（HV DC/DC）转换器都是这种情况。切入点之一是对不同开关技术进行横向对比，以确定氮化镓或碳化硅技术是否优于硅解决方案。

图1：硅超级结MOSFET和碳化硅MOSFET采用垂直结构；氮化镓MOSFET则采用水平结构

首先要注意的是，硅超级结MOSFET和碳化硅MOSFET二者具备类似的垂直结构，而氮化镓MOSFET则采用平面结构。这意味着，在硅器件和碳化硅器件中，电流从上而下穿过器件流至背面衬底。氮化硅器件采用横向结构，因而电流横穿器件，并且源极、栅极和漏极经由单独的金属化层连接到表面（图1）。这种本质上无掺杂的低杂质晶体结构可以实现很高电子迁移率，故而命名为：高电子迁移率晶体管（HEMT）。

这种结构上的差异，加之使用不同的半导体材料，形成了各不相同的性能特性。通常根据包含通态电阻（RDS(ON) ）和开关损耗的品质因数（FoM）来进行横向对比。

图2a、2b、2c、2d：采用不同半导体技术的600 V/650 V开关的品质因数

就漏源电荷（Qoss）、恢复电荷（Qrr）和栅极电荷（Qg）等而言，碳化硅MOSFET的FoM优于同档次的硅超级结器件。然而，若论及输出电容（Eoss）中储存的能量，则是硅器件胜出。相比之下，氮化镓MOSFET的优越性似乎仅体现在与替代产品的对比中。然而，为了看清全局，有必要做更深入的挖掘。

行业的发展日益要求SMPS在提供更多能量的同时，不断缩小体积。元件之间的间距缩短将不可避免地导致工作温度升高，这会影响到RDS(ON)。归功于氮化镓HEMT的低杂质含量，其RDS(ON) 对温度的依赖性低于硅器件。不过，碳化硅器件的RDS(ON)对温度的依赖性最低。以25°C下的值为标准，碳化硅器件的RDS(ON)比氮化镓HEMT低30%，比硅超级结器件在100°C下的值低50%。（图3）这表明，在系统工作温度下，RDS(ON)为70 mΩ的硅超级结器件的FoM逊色于100 mΩ碳化硅器件，这会降低SMPS的总体能效。

图3：硅、碳化硅和氮化镓器件在不同结温TJ（单位：°C）下的标称RDS(ON)

案例分析：3kW通信SMPS

始终处于工作状态的电源装置，如通信设备电源，一直在设法优化运行成本。目前，97%能效被视为符合标准，而能效达到98%则被视为优质产品。设计工程师面临的挑战是找到最优拓扑与适用半导体的组合，以使PFC和HV DC/DC级实现目标系统能效。

48 Vout 3 kW电信SMPS若要在50%负荷状态下实现 ηpeak 98%，将要求PFC级能效达到99%。典型的解决方案包括全桥或者半桥电流连续模式(CCM) 或者三角波模式(TCM)的图腾柱拓扑，双升压（dual boost）拓扑，或者H4/H桥等拓扑。然而，对于实现最高能效，并非所有半导体技术都是理想之选。特别要注意的是，在全桥CCM图腾柱中使用氮化镓器件的能效为99.3%，仅略高于TCM图腾柱设计中的硅超级结MOSFET所能实现的99%以上能效。（图4）

图4：基于氮化镓和传统硅器件的图腾柱PFC设计的能效可以达到90%以上

然而，新的氮化镓和碳化硅半导体技术在其他拓扑中的表现却没那么好。基于氮化镓器件的CCM半桥图腾柱可减少两个开关，但其能效为~98.8%，不适用于目标能效为98%的SMPS。在CCM图腾柱拓扑中使用碳化硅开关也是这种情况，其能效约为98.6%。（图5）这说明，尽管理论上这些新技术的性能优异，但超级结硅MOSFET在允许其发挥优势的拓扑中仍然比它们更胜一筹。当然，还必须指出的是，超级结硅MOSFET所使用的TCM图腾柱PFC拓扑，是进行比较的所有方法中最昂贵的方法，也是控制起来最复杂的方法。

图5：传统硅器件在适于其发挥优势的拓扑中可以实现优于氮化镓和碳化硅PFC解决方案的性能

这就引出了一个关键学习点：目前在元件层面，硅开关仍然具有价格优势，设计工程师仍然可以发挥其关于这项技术的丰富的设计经验。然而，对于这些基于硅器件的PFC拓扑要实现宽禁带器件所能实现的能效，设计人员不应低估其在设计和控制方面的复杂性，而宽禁带器件则能相对而言更加轻松地实现这样的能效。

接下来是审视HV DC/DC级。同样地，目标是实现最高能效，以达成在50%负荷状态下实现98%能效的总体目标，也就是说，HV DC/DC级必须在50%负荷状态下实现至少99.1%的能效。半桥LLC或许是设计人员熟知的最简单的拓扑，可以结合使用硅、氮化镓和碳化硅等技术。但是，它的典型局限性在于它不能实现97%以上SMPS峰值能效（50%负荷），这也取决于PFC在相同负荷状态下的性能。

利用三相交错式半桥LLC完全可以在50%负荷状态下实现98% SMPS峰值能效并保证充足的裕量，但这种拓扑不需要使用氮化镓和碳化硅开关，因为它们不能带来任何额外益处。通过将三个变压器集成到单个磁芯上，还可以在一定程度上优化功率密度。然而，这不是一个简单的任务，需要高超的磁学分析能力。

如果氮化镓或碳化硅器件还具备其他优点，如在封装选项方面，那么，两相交错式全桥或半桥LLC拓扑可适用于宽禁带应用。得益于交错式结构，这两种拓扑均可将产生的热量分散到整个电路上。半桥拓扑的优点是元件数量更少，控制方法更简单，而全桥拓扑则可以改善波纹控制和散热。

当然，如果功率密度是设计要求的重要内容，那么，HV DC/DC级必须提高开关频率，以缩小磁性元件的尺寸。其代价是降低能效，但硅、氮化镓和碳化硅解决方案的能效降低情况不尽相同。当LLC谐振频率达到300 kHz和500 kHz时，硅器件受到的不利影响最严重，而碳化硅器件受到的影响则较小。但氮化镓器件却始终表现出优异性能，哪怕在500 kHz下亦不例外。（图6）

图6：对于采用硅、氮化镓和碳化硅技术的LLC拓扑，谐振频率对其能效的影响

最终的功率密度能提高多少，取决于哪些组件可以缩小体积。SMD、其他元件和辅助电源等的影响很小。能为缩小体积作出贡献的主力军是变压器和和电感器、电解电容器、功率半导体以及散热片和冷却装置等。总而言之，谐振频率从100 kHz升至300 kHz，最多可以将体积缩小30%左右。

孰优孰劣？

显然，直接选择具有最优FoM的开关技术，并不能让这个问题变得一目了然。围绕着传统的硅开关，业界积累了丰富的设计和实现经验，它们仍将是要求最苛刻的SMPS设计的首要选择，其原因就在于，某些情况下它们可以实现最佳能效。然而，若用于适当的拓扑，以及对于实现特定设计目标，如功率密度（氮化镓）或在恶劣的高温环境中工作（碳化硅），诸如氮化镓和碳化硅等宽禁带技术亦有其优势。本文所作分析强调了在选择半导体开关时需要采取平衡的、不抱成见的方法，同时还要有值得信赖的供应商，避免被那些因其新颖性而看起来颇具吸引力的光鲜的高级技术所迷惑。

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来源：电力电子技术与新能源

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首次发布时间：2023-05-20