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        什么情況下應該從硅片轉換到寬帶隙技術?

        發布時間:2021-09-15 來源:英飛凌科技,Gerald Deboy 責任編輯:lina

        【導讀】自從寬帶隙 (WBG) 器件誕生以來,為功率變換應用帶來了一股令人激動的浪潮。但是,在什么情況下從硅片轉換到寬帶隙技術才有意義呢?迄今為止,屏蔽柵極 MOSFET、超級結器件和 IGBT等基于硅的功率器件已經很好地在業界得到大規模應用。這些器件在品質因數 (FoM) 方面不斷改進,加上在拓撲架構和開關機理等方面的進步,使工程師能夠實現更高的系統效率。
         
        什么情況下應該從硅片轉換到寬帶隙技術?
         
        自從寬帶隙 (WBG) 器件誕生以來,為功率變換應用帶來了一股令人激動的浪潮。但是,在什么情況下從硅片轉換到寬帶隙技術才有意義呢?迄今為止,屏蔽柵極 MOSFET、超級結器件和 IGBT等基于硅的功率器件已經很好地在業界得到大規模應用。這些器件在品質因數 (FoM) 方面不斷改進,加上在拓撲架構和開關機理等方面的進步,使工程師能夠實現更高的系統效率。工程師堅持繼續使用硅片的最常見原因可能是在這方面擁有豐富的知識和經驗。然而,在某些情況下,下一代電源、逆變器和光伏系統的性能要求使WBG器件應用成為首選。
         
        在中壓應用中,英飛凌的 OptiMOS™ 能夠提供業界更佳的品質因數。開關電源 (SMPS)、逆變器和電池供電馬達等需要100~200V MOSFET 的應用已經在使用這些高頻優化器件。然而,隨著人工智能 (AI) 協處理器等需要巨大電流的邊緣運算應用越來越廣泛,對提升電源供電效率和瞬態負載響應能力提出了要求。 CoolGaN™可提供明顯優于任何同類中壓硅器件的 FoM以及零反向恢復電荷,這使其成為半橋電路的完美選擇。由于其晶體平面生長特性,使封裝能夠實現采用頂部散熱的創新機制。在 54V 輸入/12V 輸出的降壓變換器中,基于 CoolGaN™ 的設計可提供 15A 電流,在500 kHz 開關頻率時達到超過 96.5% 的峰值效率。這比同等OptiMOS™ 5 100V在100 kHz開關頻率下效率提高了1%。
         
        在400~650V范圍內的高電壓應用也受會益于 CoolGaN™器件,通過利用更高開關頻率而實現的效率提升可提高功率密度,這種特性在空間和重量越來越寶貴的通訊和服務器電源中尤為重要。對 3kW/12V 電源的復雜帕累托分析(Pareto analysis)表明,CoolGaN™ 技術可以在大約 67W/in3 的功率密度下提供比超級結 CoolMOS™ 器件高 0.7% 的效率。這里還要注意的一點是,第一代 GaN 器件目前正處于其技術路線圖的開始階段。研究表明,就單位面積的通態電阻而言,我們距離其理論極限值還有一個數量級。
         
        TRENCHSTOP™ IGBT 長期以來一直是需要 1200V 開關應用的主力,并已經成為光伏逆變器、SMPS 和汽車逆變器等應用的重要產品。與 MOSFET 一樣,每一代新器件都進一步改善了 VCEsat 之間的權衡。然而,隨著碳化硅(SiC)技術的出現,CoolSiC™ 等堅固的溝槽 MOSFET在傳導和開關損耗方面都具有明顯優勢,因而正在上述應用中迅速得到認可。硬開關圖騰柱功率因數校正電路(CCM PFC) 就是一個例子。CoolSiC™通??稍?100°C 左右溫度下運行,隨溫度變化的相對平坦 RDS(on) 意味著 94mΩ 器件可以在 3.3kW CCM 圖騰柱 PFC 中實現 99% 的效率。
         
        總體而言,CoolGaN™ 和 CoolSiC™ 都能夠提供更好的 FoM,并且可實現比同類硅器件更高的效率。但是,這些并不是唯一需要考慮的因素,價格同樣很重要,采用新技術帶來的相關風險也是如此。GaN 和 SiC 都具有不同的驅動和工作特性,為了充分發揮這些技術的潛力,可能還需要新的拓撲架構或控制技術。
         
        對于服務器等應用中的圖騰柱 PFC, SiC 和 GaN 器件均可以使用。由于SiC器件的 RDS(on) 溫度相關性非常低,因此可首選用于 CCM 控制,而 GaN 則在諧振圖騰柱應用中具有優勢。在傳統升壓 PFC 中,硅 MOSFET 與 WBG 器件相比,能夠以更低成本實現理想的系統效率,因而硅 MOSFET仍然是最佳選擇。當功率密度非常重要時,尤其是在輕負載情況下,CoolGaN™ 具有更低的柵極驅動損耗,使其成為更好的選擇對象,而CoolSiC™ 則是次優選擇,對于服務器和電信應用的高頻 LLC 設計而言尤其如此。在汽車應用領域,我們預計車載充電器、DC-DC 轉換器和主逆變器等應用對 SiC MOSFET 的需求會越來越大。
         
        設計人員喜歡更多的選擇方案來做出最佳設計,為了滿足這些需求,英飛凌正在開發多種WBG器件來補充其業界領先的硅技術,使系統設計人員保留某些硅技術的同時,可改進產品設計。然而,當時機成熟時,WBG 解決方案將能夠把電源設計推向前所未有的高效率和高功率密度。
         
         
         
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