Si/SiC和GaN HEMT器件的结构比较！

碳化硅（SiC）技术改进了各种应用中的多个系统和子系统组件。与硅相比，碳化硅通过更快的开关、在整个温度范围内的平坦RDS（on）和更好的体二极管性能表现出更好的功率密度和效率。

本文将探讨Wolfspeed的SiC组件如何使离线式SMPS系统在效率、功率密度和整体系统成本方面表现出色，尤其是与硅和氮化镓器件相比。

SMPS趋势及硅、碳化硅和氮化镓的比较

离线式SMPS通常是ACDC电源系统，例如数据中心，电信基站和电力挖掘系统。数据中心消耗了所有发电量的10%左右，如果实施SiC仅节省1%的能源，则相当于三座核电站（每座核电站的运行功率为1吉瓦）。

与行业标准的第1代数据中心电源架构相比，第2代从交流输入中移除了不间断电源和配电单元，将直流母线从12 V更改为48 V，并在直流母线（48 V）上增加了电池备份系统。由于这些变化，整体系统效率提高到85%，节省了相当于27座核电站的能源。

包含OCP2.3或HE电信整流器的第二代数据中心的典型规格如下：

输入电压范围：180-305 VAC

输出功率：3，000 W

输出电压：48 V

效率：峰值为97.5%，96%至5%负载时为30.100%

保持时间：20 ms

工作温度范围：0°C至55°C

效率会因负载百分比而异，但一般来说，功率因数校正（PFC）需要99%以上的效率，DC/DC转换器系统需要超过98.5%的效率。为了满足这些高效率和功率密度的新要求，电源设计人员必须密切关注拓扑和功率组件。这可以通过比较包括硅、碳化硅和硅基氮化镓在内的技术来完成。

在比较Si或SiC MOSFET与GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）之间的物理差异时，可以在图1中观察到GaN HEMT的横向结构需要增加其尺寸以适应更高的功率和不同形式的电流，而硅的结构是垂直的。作为类比，这就像将向上推动电流的垂直“软管”与水平流动电流的“雨水沟”进行比较。

此外，GaN HEMT在过压条件下不会雪崩，这可能导致灾难性故障。它们的短路能力也非常差（几百纳秒），它们的晶格热膨胀系数不匹配会导致缺陷。

在分析RDS（on）相对于温度的行为时，可以看到SiC优于其他技术。此外，大多数数据手册都标明RDS（on）在室温（25°C）下，但设计人员必须规划实际结温可能在120°C至140°C之间变化。值得注意的是，RDS（on）与I2R损耗（传导损耗）相关，这意味着SiC的60 mΩ额定值相当于Si和GaN的40 mΩ。

为了更量化地了解SiC与Si和GaN-on-Si的比较，展示了在采用SiC元件时温度特性、电压和尺寸/封装如何改善。

这些技术之间还可以比较其他几个参数，例如Vgs、结温Tj、RDS（on）、电容和开关期间的恢复。虽然SiC并非在每个类别中都胜出，但它确实在大多数类别中都大放异彩。在温度方面，SiC具有最高的Tj，max，这导致更好的整体鲁棒性，但并没有最低的热结电阻（Rth）。然而，在大多数工作温度下，SiC的RDS（on）是最低的，这意味着更低的损耗和更高的效率，允许最大的功率传输。由于GaN没有雪崩能力，SiC的单脉冲雪崩能量为其提供了更好的鲁棒性和保护性。更重要的是，更高的Vgs，th可以提高抗噪性并且更容易驾驶。在开关性能方面，GaN可以提供最低的Qrr和电容，但SiC紧随其后。这一点很重要，因为它关系到开关损耗和效率。一般来说，Si易于驱动，但无法与开关性能和损耗竞争。GaN在开关性能方面大放异彩，但缺乏鲁棒性，SiC提供了一种全面的稳健效率解决方案，具有出色的热性能和最小的损耗。

PFC拓扑和组件选择

传统上，PFC技术需要带有LC元件的桥式整流器，因此配置简单，但体积庞大且笨重。当今的工业采用有源升压PFC拓扑结构，其中包括整流器和升压元件。这种配置很受欢迎，并以合理的成本提供足够的性能，但要达到最新的效率标准。业界目前正在发展使用无桥图腾柱PFC设计，以降低损耗并提高功率密度。这就是SiC MOSFET可以大大提高效率并满足未来设计人员需求的地方。

总而言之，用于离线SMPS系统的80plus钛金需要非常高的效率，而SiC提供了额外的鲁棒性因素，从而实现了高可靠性应用。SiC可提供超过99%的效率，在整个温度范围内具有明显的RDS（on）优势、更高的结温额定值、雪崩能力以及行业标准占位面积，使其成为图腾柱PFC和LLC转换器应用中使用的功率器件的最佳选择。

　　审核编辑：汤梓红