GaAs 二极管在高性能功率转换中的作用

高压硅二极管具有较低的正向传导压降，但由于其反向恢复行为，会在功率转换器中产生显着的动态损耗。SiC 二极管表现出可忽略不计的反向恢复行为，但确实表现出比硅更高的体电容和更大的正向传导压降。由于 GaAs 技术能够提供硅和 SiC 的有用特性，本文探讨了一项比较 10kW、100kHz 相移全桥 (PSFB) 性能的练习。该应用中 GaAs、SiC 和超快硅二极管的基准测试结果表明，GaAs 二极管的整体效率与 SiC 相当，但成本却显着降低。
　　
为什么选择砷化镓？
　　
成本 - 用于 GaAs 二极管的晶圆的原材料成本及其固有的较低制造工艺成本代表着以低得多的价格实现 SiC 性能的重要机会。封装 GaAs 二极管的典型成本约为同类 SiC 器件的 50% 至 70%。
　　
可用性——砷化镓材料已广泛应用于射频应用，是世界上第二大使用的半导体材料。由于其广泛使用，它可以从多个来源获得，其制造工艺类似于硅。这些因素都支持该技术的低成本基础。
　　
软切换还是硬切换？
　　
虽然与主流硅相比，碳化硅的性能在二极管和晶体管开关特性方面有了显着改进，但近年来的趋势是使用软开关拓扑来在整个转换器中提取水平的性能。这些软开关拓扑非常适合 GaAs 二极管，使设计人员能够受益于比 SiC 更低的传导损耗，而不会遭受普通硅会产生的额外动态损耗。

　　图 1：二极管基准比较

对于给定的功率输出，软开关拓扑通常在功率半导体中运行更高的 RMS 电流，因为强制零电压转换所需的循环谐振能量。GaAs等具有较低正向压降的技术可以减少这种循环能量造成的损耗，并充分发挥开关零电压操作的优势。
　　
二极管造成的功率损耗
　　
“理想”二极管将在不产生任何损耗的情况下执行其功能，但任何实际二极管（包括宽带隙器件）都会偏离这种理想状态，其现实世界行为的不同方面会导致功率损耗。在大多数转换器中，次级侧二极管造成的损耗可分为三个主要领域之一：
　　
非零正向压降会导致二极管传导电流时产生传导损耗。这种损耗机制与拓扑相关，但通常不是频率的函数。
　　
由于二极管体电容造成的损耗，电容越高，损耗越高。这是依赖于拓扑/频率的，并且由此产生的损耗会施加在转换器中的其他组件上。
　　
由拓扑/频率相关的反向恢复效应引起的损耗。这些损耗是在转换器中的二极管和其他组件中实现的。
　　
上述损耗类型的相对水平取决于各个二极管的特性、拓扑选择和工作频率。正向传导损耗相对容易计算，而二极管电容和 Trr 造成的损耗则更为复杂。
　　
二极管行为比较
　　
在基准测试中对三种二极管进行了比较，主要比较如图 1 所示。
　　
数据比较表明，从正向传导性能的角度来看，硅和砷化镓的性能都更好，特别是在高结温下。从开关角度来看，SiC 具有明显更高的电容，但反向恢复时间基本为零。问题是，对于我们的 10kW PSFB 应用，这些二极管特性将如何影响整体效率？
　　
二极管造成的 PSFB 损耗
　　
图 2 显示了典型的 PSFB 拓扑，其中二极管在位置 D1 至 D4 处进行基准测试。
　　
PSFB 通过以 50% 的占空比运行 Q1/Q3 和 Q2/Q4 晶体管对来运行，并通过控制其相对相位来控制功率流。此操作允许初级侧器件 Q1-Q4 在较宽的负载条件范围内以零电压开关操作。

D1-D4 的组合电容添加到电源变压器和 PCB 的分布电容上，导致开关转换期间 D1-D4 上产生谐振电压。

　　图 2：PSFB 拓扑

为了防止损坏 D1-D4，使用缓冲器将谐振电压钳位到可接受的水平。在 PSFB 中，有源缓冲器吸收的能量的量化是衡量动态特性（电容和 Trr）影响的直接方法。整体转换器效率与缓冲器耗散的综合知识允许在此应用中准确地对二极管行为进行基准测试。
　　
基准测试结果
　　
原型转换器设计用于 500V/30A/10kW 的输出曲线，图 3 显示了转换器在 600V 输入下以 330V/20A 输出运行的示例图。示波器图中的蓝色迹线 (C3) 显示有源缓冲器上测得的电压，并且由于钳位功率是钳位电压的直接函数，因此有源缓冲器设计为以其自己的控制环路运行，以允许用户将钳位电压设置在固定水平。在图 3 的示例图中，电压为 800V。
　　
利用图 2 中详述的设计参数，可以实现如图 4 所示的输出曲线，其中彩色区域显示主 MOSFET 出现 ZVS 的区域，而轮廓则显示所需的相移。基准测试使用固定的 600Vdc 输入和输出上使用的恒流负载进行相移，然后更改设置输出电压。针对 10A、15A 和 20A 的输出电流，测量了效率和缓冲器功耗与输出电压的函数关系。
　　
从图 5 的结果可以得出几个结论：
　　
基于 GaAs 和 SiC 的解决方案的整体转换器效率几乎相同，尤其是在较高负载电流下。在较高的输出电流下，GaAs 有限 Trr 导致的稍高的缓冲器损耗被较低的传导损耗所抵消，从而获得相同的整体效率。
　　
由于缓冲器耗散水平较高（即与 Trr 相关的显着损耗），超快硅效率在此应用中非常差。由于测量的缓冲器功率水平较高，超快硅测试仅限于低功率。
　　
GaAs 和 SiC 缓冲器功率表现出类似的行为，表明 GaAs 有限 Trr 造成的额外损耗在很大程度上被 SiC 器件较高的本机电容所抵消。

　　图 3：PSFB 转换器工作波形（C1/C2 是 Q1/Q3 和 Q2/Q4 对产生的电压，C4 是输出整流器 D1-D4 两端的电压，C3 是 L2 中的电流）

　
　　图 4：带有 ZVS 区域和恒定相移轮廓的 PSFB 输出 VI 图

根据这项实证工作，我们开发了一个分析模型来对缓冲器损耗进行建模，作为二极管电容和 Trr 的函数。分析表明，在 Trr 期间，额外的能量被加载到谐振电路中，从而导致额外的钳位耗散。因此，对于给定的工作点，缓冲器功率是二极管电容和 Trr 的函数。在本文详细介绍的 PSFB 的情况下，对于 500V/20A 输出的工作点，分析模型可用于预测作为二极管电容和 Trr 函数的缓冲器损耗。这样就可以比较三种二极管类型的行为，如图 6 所示。
　　
图 6 显示，对于 GaAs 和 SiC，缓冲器功率大致相同，其优点是 SiC 中的零 Trr 被其较高的本机电容所抵消。就超快硅而言，低二极管电容的优势被长反向恢复带来的高得多的功率水平所淹没。GaAs 的低固有电容和 Trr 提供了类似于 SiC 的动态性能，并具有减少正向传导损耗的额外优势。

　　图 5：GaAs、SiC 和超快硅的 PSFB 效率（左）和缓冲器耗散（右）基准测试


　　
图 6：PSFB 在 500V/20A 输出下运行时，缓冲器功率与二极管 Trr 和电容的函数关系

在原型 PSFB 中，变压器、输出电感器和 PCB 布局给出了 300pF 的总负载电容。图 6 中显示的数据包括所有情况下的基线电容，总二极管电容基于四个二极管的贡献。
　　
结论
　　
在考虑整体转换器效率时，了解所有主要损耗机制（包括由二极管动态特性引起的损耗机制）非常重要。事实证明，GaAs 二极管中的低正向压降、低电容和低/稳定 Trr 的组合为相移全桥等软开关应用提供了出色的特性组合。高增长应用（例如电动汽车充电）中的高性能电力电子器件可以从 GaAs 二极管提供的系统级成本降低机会中获益匪浅。详细了解实际应用中二极管引起的正向传导行为和动态损耗，可为设计人员提供优化性能和成本的工具。