GaN 和 SiC 器件如何优化超高功率密度充电器的系统设计

btty038

GaN 和 SiC 器件如何优化超高功率密度充电器的系统设计 [复制链接]

碳化硅 (SiC) MOSFET 和氮化镓 (GaN) HEMT 等宽带隙 (WBG) 功率器件的采用目前正在广泛的细分市场中全面推进。在许多情况下，WBG 功率器件正在取代它们的硅对应物，并在现有系统中实现更高的效率。在其他情况下，例如图腾柱配置，WBG 功率器件为具有连续传导调制的无桥功率因数校正 (PFC) 提供了一个简单的选项。

在本文中，我们将概述如何通过整体系统优化方法得出 GaN 和 SiC 功率器件的最佳用例。

设备技术

英飞凌科技提供从其成熟的 Si 超结器件到 SiC MOSFET 和 GaN e-mode HEMT 的全系列功率半导体技术。该公司的 SiC MOSFET（参见图 1a）具有独特的非对称沟槽结构，其中通道迁移率通过将通道与 SiC 晶体的 a 平面对齐来优化。此外，沟槽的大部分嵌入到 p+ 区域中，该区域在沟槽底部下方延伸，从而降低了关态临界场并用作体二极管。因此，与平面 DMOS 概念相比，英飞凌的沟槽设计可以通过降低栅极驱动电压来实现类似的 R DS(on)性能，从而实现高水平的栅极氧化物稳健性。

图 1：宽带隙半导体技术：(a) CoolSiC (b) CoolGaN GIT HEMT

分析我们的 CoolGaN 器件（见图 1b）的价值主张的基础是英飞凌专有的栅极注入晶体管 (GIT) 技术。这个概念的优点是可以分别优化通态电阻和电流能力与阈值电压，可以在不影响 R DS(on)值的情况下提高阈值电压。另一个优点是 p-GaN 栅极结构的自钳位特性，它充当二极管并在栅极出现过压尖峰时增加了鲁棒性。另一个特定于技术的优势是混合漏极结构，它在硬开关事件中从漏极注入空穴，并有助于消除残余电荷的不利影响，例如动态 R DS(on)和电流崩塌。

宽输出电压范围 240-W USB-C 充电器

为了设计下一代充电器，我们设想了一款超紧凑型充电器，支持两个 USB-C 输出端口，每个端口为 5 A，输出电压范围为 5-48 V。充电器需要在 90 V 至 264 V 的通用输入交流线路上工作。具体而言，这些具有两个独立端口的宽输入和输出电压范围要求采用三级方法，包括一个图腾柱 PFC 级和两个交错高频率桥臂、一个 DCX 级（“DC 变压器”）在其谐振频率下连续运行，以及两个后续降压级。PFC 级和 DC/DC 转换器相应地以 400 kHz（800 kHz 有效频率，两条腿）和 425 kHz 切换。该系统采用半桥配置的集成功率级和 CoolGaN GIT HEMT，并在所有高压插座中匹配驱动器，并将 CoolGaN 肖特基栅极 HEMT 作为 100-V 器件。整个系统实现了 42 W/in 的出色功率密度。（未装箱）。图 2 显示了拓扑和硬件演示器。

图 2：具有两个独立 USB-C 端口和 42 W/in 的出色功率密度的 240 W 充电器。3（未装箱）。

采用 SiC 和 GaN 器件的下一代车载充电器系统

当前这一代带有 Si 器件的车载充电器通过由三个独立的 PFC 级和三个后续的 DC/DC 级组成的相位模块化方法可实现约 2 kW/l。用 SiC MOSFET 代替高频半导体器件可将功率密度提高到约 4 kW/l 的水平。为了增加超过这些值的功率密度，必须考虑真正的三相系统设计。

图 3 所示的超紧凑型 10 kW EV 充电装置是实现最高功率密度的关键因素，它可以作为下一代车载充电器的蓝图。这种三相电动汽车充电系统支持 250 V 至 1,000 V 的非常宽的输出电压范围。它由一个 Vienna 整流器 PFC 级和四个交错的双有源电桥 (DAB) 组成，用于将能量隔离传输到电池。由于 Vienna 整流器的三电平特性和 DC/DC 级的堆叠方法，PFC 前端和 DC/DC 级均与 600V 功率器件兼容。

为了在超过 500 kHz 的开关频率下运行 Vienna 整流器，必须降低开关损耗。因此，我们应用了一种新的“协同控制”策略，其中直流母线电压遵循整流后的三相输入电压的六脉冲波形。这种控制方案可将开关损耗降低多达 86%。不是同时切换所有桥臂，而是仅承载最低电流的桥臂进行切换。使用这种技术，可以将开关频率提高到 550 kHz。具有 70-mΩ R DS(on)的分立 CoolGaN GIT HEMT用于 Vienna 整流器前端，而具有 42-mΩ R DS(on)的器件用于 DAB 级。

DAB 级在 140 和 400 kHz 之间运行，并在其大部分工作点实现零电压切换。

整个系统实现了 10 kW/l 或 163 W/in 的功率密度。分别在 95% 以上的峰值效率。

图 3：支持宽输出电压范围和 10 kW/l (163 W/in. 3 )功率密度的 10 kW EV 充电单元

GaN 和 SiC 器件如何优化超高功率密度充电器的系统设计