在混合电源设计上，Si、SiC、GaN如何各司其职？
2024-07-08 21
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。
小结：
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。电子发烧友网报道（文/梁浩斌）
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