GaN与Si器件在DC/DC变换器中的性能分析

2023-08-04高莹

通信电源技术 2023年8期

关键词：导通半导体器件

高莹

（台达电子企业管理（上海）有限公司，上海 201209）

0 引言

近年来，硅基半导体材料在材料特性上已接近物理极限，第三代半导体（以SiC 和GaN 为主）又称宽禁带半导体，禁带宽度在2.2 eV 以上，具有高击穿电场、高饱和电子速度、高热导率、高电子密度以及高迁移率等特点，逐步受到重视。

随着产业变革的到来，第三代半导体（SiC 和GaN）的性能优势逐渐凸显，已经渗入多个应用市场，汽车逆变器中SiC 功率器件已经占有一定地位，快充领域也开始大量使用GaN 功率器件。

此外，GaN 功率器件正在逐步渗入650 V 以下的应用领域。其中，以数据中心、云计算、服务器等为终端应用的48 V 系统，由于其追求高效率、小体积、低成本等要求，能够实现高功率密度的GaN 功率器件已经成为其下一代产品的研发重点。

1 GaN 与Si 功率开关器件参数比较

1.1 材料性能比较

在半导体材料中，第一代是以硅（Si）、锗（Ge）材料为主的传统半导体，第二代是以砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）为代表的化合物半导体，第三代是以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）为代表的宽禁带半导体。

表1 对比了第一代半导体Si 与第三代半导体SiC和GaN 的材料性能差异。GaN 材料的禁带宽度是Si材料的3 倍，电子迁移率也远高于Si 材料，临界击穿电场是Si 材料的10 倍，饱和漂移速度是Si 材料的3 倍。其中电子迁移率越高，代表相同单位该材料所制成功率器件的Rdson 越低；饱和迁移率越高，则代表材料的高频特性越好且Rdson 也可以越低；而更高的热导率代表材料能够承受更高的温度环境[1]。

表1 半导体材料性能比较

1.2 器件参数比较

比较GaN 与Si 功率器件在低压DC/DC 应用中的参数差异，从参数对比中可以看到，GaN 器件在体积减小66%的情况下，其静态参数和动态参数均有不同程度的减小。其中，导通阻抗Rdson的减小直接降低导通损耗；Qg的减小可以降低其驱动电流，从而减小驱动损耗；对于体现反向恢复特性的参数Qrr，GaN 材料被认为没有反向恢复问题（Qrr基本为0）。综上，GaN 功率器件的参数特性极大地减小了功率器件在开关电源中的导通损耗和开关损耗。

1.3 应用领域

近些年，GaN在消费领域已经争得一席之地。另外，云计算、人工智能、机器学习以及多用户游戏等先进计算应用对功率转换器的要求日益增高，而硅基功率转换器不能满足日益增长的功率需求。因此，面向48 V 功率转换应用，氮化镓器件也可提高其效率、缩小尺寸并降低系统成本。

未来，随着GaN 功率器件的技术不断突破，氮化镓功率电子器件的市场将由以下5 大应用牵引：目前渗透率较大的（小型）电源设备、无线电源、渗透率中等的数据存储中心、未来有较大市场可能的新能源汽车以及（汽车）激光雷达等[2]。

2 DC/DC 变换器实验设计与验证

2.1 拓扑选择与损耗分析

实验基于LLC 电路作为DC/DC 变换器的主功率电路（如图1 所示），并且与对比实验使用完全相同的控制器件与相关回路。图1 中，Q1～Q4为全桥LLC电路的原边功率管，SR1～SR4为副边整流功率管，Lr、Cr为谐振器件[3]。

图1 LLC 电路拓扑的主电路

假设变换器的工作状态相同，仅有功率器件不同，可以忽略其他部分的损耗差异，则变换器的损耗差异主要包括导通损耗与开关损耗。下面对功率器件损耗进行定性分析。

（1）导通损耗。Q1～Q4、SR1～SR4在导通期间，流经功率器件的电流包含直流负载电流和纹波电流2部分内容，则损耗为

式中：D为变换器的占空比；IL为电感电流；Iacrms为纹波电流。

（2）开关损耗。原始应用Si-MOSFET 功率器件的LLC 谐振变换，当开关频率与谐振频率相等，电路工作在谐振频率点时，可以消除功率器件的反向恢复损耗，即原边开关管工作在零电压开关（Zero Voltage Switch，ZVS）模式，同时整流电路因为工作在断续条件而实现零电流模式。但是GaN 功率器件的寄生电容及栅极电荷极小，较Si 功率器件的开通关断过程性能更优。

当开关频率大于谐振频率时，由于Lm不能参加谐振，整流功率器件因工作在连续的电流模式下而不能像上面一样实现零电流模式工作，因此必然会产生反向恢复损耗。然而GaN功率器件优异的第三象限（反向）特性，使得其省略了这部分损耗[4]。

综合功率器件开关管的开通损耗、关断损耗、栅极驱动损耗作为开关损耗进行理论分析。开关损耗为

GaN 功率器件具有极小的极间电容和栅极电荷，在LLC 电路拓扑中的开关损耗也能更低。电路中其他部分的损耗因参数设计均相同，差异相对较小，这里不做详细分析[5]。

2.2 实验器件选择与损耗分析

根据分析结果，为了降低损耗使DC/DC 变换器的效率提高，需要选择导通电阻低、栅极电荷小的功率器件。Q1～Q4的Si 功率器件选择Infineon的BSZ070N08LS5，GaN 功率器件选择EPC 的EPC2045；SR1～SR4的Si 功率器件选择Infineon 的BSC010N04LSI，GaN 功率器件选择EPC 的EPC2024，驱动电路分别选择LM5101 和UP1966A。为了最大限度提升DC/DC 变换器的功率密度，变换器输入输出电容选用目前砖块电源常用的片式多层陶瓷电容（Multi-Layer Ceramic Capacitors，MLCC），且2 个对比变换器的容量设置相同。变压器选择铁氧体磁芯材质，匝数及感量设置相同，并以集成线圈的方式安置在印刷电板（Printed Circuit Board，PCB）上。

通过PCB 的优化，减少寄生参数，搭建成全桥LLC 变换器的实验电路模块平台。DC/DC 变换器输入电压为48 ～60 V，输出电压为12 V，最大输出功率为600 W，变换器频率为1 MHz。

根据粗略计算，在Uin=48 V、Uout=12 V、Pout=600 W、100%负载情况下，损耗分布估算如表2 所示。

表2 损耗分析

2.3 测试结果

图2 和图3 分别是Uin=48 V、Uout=12 V、Pout=600 W 时，Si 功率器件和GaN 功率器件电路的实测波形。UQ1为原边开关管的Uds波形，USR1和USR4分别为副边整流开关管的Uds波形。从实测波形中可以看出，Si 功率器件的过冲更大，而GaN 功率器件的过冲相对较小。

图2 Si 功率器件波形

图3 GaN 功率器件波形

图4 是Uin=48 V 时，2 个变换器的效率和损耗随着输出功率变化的曲线。由此可见，在轻载期间，GaN 与Si 功率器件变换器的效率都较低；而随着输出功率的上升，效率均在50%～70%负载期间达到峰值，随后再缓慢下降。其中GaN 变换器的峰值效率达到96.8%，而Si 变换器为96.1%，效率提高0.7%。2个变换器模块的损耗均随着输出功率的增大而增加，且GaN 变换器的损耗增加比Si 变换器小。

图4 Vin=48 时效率及损耗

事实上，本实验在可控变量的前提下，为了增加GaN 和Si 的对比性，并没有将GaN 功率器件的优势完全发挥，还有很大的优化空间。例如，GaN 功率器件的频率仍可再调高，而GaN 在高频时仍可保持较高的转换效率，Si 则会随着频率的升高而降低；同时，GaN 应用方案中磁件和滤波电容的尺寸均可有一定程度的减小。另外，所选择的GaN 器件本身尺寸也小于Si 器件，因此实际上有更多的空间可以用来优化PCB 线路，以达到更优的性能。