電源轉換器如何選用合適的Si/SiC/GaN功率開關組件?

2020-12-09 電子工程專輯

一、  前言

電源轉換器所使用的功率開關組件一直以來都採用矽(Silicon: Si)半導體材料為主，但是隨著越來越多苛刻的應用與需求，矽半導體材料發展也趨近於材料本身的極限，使得矽功率開關組件已經無法完全符合需求，為了符合電源轉換器設計的需求，近年來寬帶隙材料諸如碳化矽(Silicon Carbide: SiC)和氮化鎵(Gallium Nitride: GaN)應運而生並且已被成功地商品化，本文探討電源轉換器設計者應該是沿用矽功率開關組件，還是轉而選用寬帶隙功率開關組件，先由矽和寬帶隙材料的特性進行比較，再進入討論CoolMOS，CoolSiC和CoolGaN的應用和定位，提供設計人員參考來選擇合適的功率開關組件。iYaEETC-電子工程專輯

二、  材料特性比較

目前，市場上絕大部分的功率組件從20V到數kV都是以矽的技術為基礎，當矽的技術到達其極限，材料性質就會限制住功率半導體組件的效率提升空間，MOSFET(金氧半場效電晶體)是最常見的功率半導體組件，其導通電阻受限於崩潰電壓，也就是磊晶層的特性，導通電阻的公式如式(1)iYaEETC-電子工程專輯

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簡化之後，就是」矽的極限」關係式iYaEETC-電子工程專輯

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圖1表示在不同材料之間，崩潰電壓與單位面積導通電阻(RON X A)的關係，由圖1的曲線可以清楚得知，碳化矽與氮化鎵的寬帶隙材料突破了矽甚至於以矽為材料的超結面(Super Junction)製程的極限線之半導體組件，而且分別距離其極限線還有一段距離，代表碳化矽與氮化鎵未來在單位面積導通電阻與成本上還有很大的進步空間。iYaEETC-電子工程專輯

圖1:半導體材料的崩潰電壓相對單位面積導通電阻iYaEETC-電子工程專輯

相較於矽的半導體組件，寬能隙的半導體組件提供了許多優點，圖2比較矽、碳化矽和氮化鎵的材料特性，寬能隙材料有較高能階，能階代表將電子從價電帶移動到導電帶需要施予多少能量，能階越高代表組件具有較高的耐壓，寬能隙材料的氮化鎵的能階為3.5eV及碳化矽為3.3eV，都相較於矽的1.1eV來的高。另外碳化矽材料有著優異的熱傳導特性，在高功率、高溫度的應用場合就非常合適選用。而飽和電子移動速度可以用來表示其反應速度，另外在氮化鎵結構產生的特性:二維電子氣(2DEG; 2-Dimensional Electron Gas)，此二維電子氣的電子遷移率極高，因此能達到非常快的切換速度。iYaEETC-電子工程專輯

圖2:Si/ SiC/ GaN半導體材料的特性iYaEETC-電子工程專輯

碳化矽功率開關組件主要使用六方晶型4H-SiC，在提升碳化矽功率開關組件性能上最大的挑戰是如何製作出高質量的閘極氧化層。在碳化矽閘極氧化層的界面陷阱電荷讓電子電洞不易流動，會造成通道遷移率降低，使得通道電阻上升、功率損耗增加及通道電流下降，因此需要將較強電場施加到閘極氧化物層以進行傳導，通過提高驅動電壓(VGS)或減少閘極氧化層的厚度可以提供較強電場到閘極氧化物層，讓通道電阻降低、流過預期電流及減少損耗。iYaEETC-電子工程專輯

一般碳化矽功率開關組件採用水平式閘極(DMOS)的結構，如圖3左圖所示，須要增加驅動電壓來降低界面的陷阱密度讓信道電阻降低，但是較高的驅動電壓會影響碳化矽功率開關組件的可靠度。使用溝槽式閘極結構(TMOS)來製作碳化矽功率開關組件，如圖3右圖所示，可以有效降低陷阱密度，兼顧碳化矽功率開關組件的性能和可靠度。iYaEETC-電子工程專輯

圖3:不同的碳化矽功率開關組件的閘極結構iYaEETC-電子工程專輯

相較於矽功率開關組件和碳化矽功率開關組件，氮化鎵功率組件使用橫向結構的水平型設計，如圖4所示，氮化鎵可以用異質磊晶的方式成長在矽基板上，如此一來就可以藉由成熟的6吋、 8吋和12吋的矽製程來提升產能和降低成本。另外在結構上的氮化鎵(GaN)和氮化鎵鋁(AlGaN)間會產生一層薄但密度高的高遷移率自由電子層;二維電子氣(2DEG; 2-Dimensional Electron Gas)，此二維電子氣的電子遷移率極高，因此能達到非常快的切換速度，所以將其稱為氮化鎵高速電子遷移率場效電晶體(GaN HEMT; High Electron Mobility Transistor)。iYaEETC-電子工程專輯

圖4:氮化鎵功率組件結構iYaEETC-電子工程專輯

在表1中，使用600V CoolMOS C7、600V CoolMOS CFD7、600V CoolGaN Gen 1和650V CoolSiC Gen1來比較4種質量因素(RDS(on)* Qoss、RDS(on)*Qrr、RDS(on)*Eoss、RDS(on)*Qg)間的差異。為了公平比較，使用接近的導通電阻(RDS(on))作比較，典型值是55mohm左右，最大值約是70mohm。iYaEETC-電子工程專輯

1. RDS(on)* Qoss: 有助於評估死區時間(dead time)、諧振電流設置及諧振拓撲操作在高頻。這對於獲得更高效率的設計很重要。碳化矽和氮化鎵相較矽功率開關組件在軟切換的應用上更適合高頻操作及可以達到較高的效率。iYaEETC-電子工程專輯

2. RDS(on)*Qrr: 對於理解重複硬換向的實現非常重要，碳化矽和氮化鎵在半橋相關架構應用上可以有較高的可靠度。這一個質量因素也可以得知碳化矽和氮化鎵能應用在CCM totem pole PFC相關的架構上。iYaEETC-電子工程專輯

3. RDS(on)*Eoss: 這相關於硬開關拓撲中的開關損耗，例如CCM Boost PFC架構。雖然碳化矽在這之中的參數值較高，但碳化矽有較佳的RDS(on)對應溫度特性，用比較高RDS(ON)的規格可以換得較低的Eoss及較低的開關損耗。iYaEETC-電子工程專輯

4. RDS(on)*Qg: 有助於估算驅動損耗。這在應用的輕負載條件下尤為重要。iYaEETC-電子工程專輯

另外由源極到汲極的電壓降(Vf)參數可以了解矽和碳化矽功率開關組件的體二極體以及氮化鎵功率開關組件的「電壓降」如何在死區內發揮作用。雖然CoolSiC和CoolGaN的Vf較CoolMOS高，但其相對所需死區時間較少，所以對於Vf在死區時間內的損耗影響不大。iYaEETC-電子工程專輯

整體來看，CoolGaN在這些質量因素的比較中都有較佳的特性，可以合適應用在較高的切換頻率、較高的效率及高的功率密度且無硬換向問題，可以被運用到類似Totem Pole PFC的架構上。CooSiC的特性也適合在Totem pole PFC上，在RDS(on)* Qoss和RDS(on)*Qrr也有較佳的參數，所以在諧振架構上也可以得到較好的性能及較高的可靠度。iYaEETC-電子工程專輯

表1：Si/ SiC/ GaN質量因素比較表iYaEETC-電子工程專輯

在圖5中，將CoolMOS、CoolSiC和CoolGaN的RDS(on)標準化後，用標準化的RDS(on)來比較溫度對其RDS(on)影響的差異，原本在接面溫度(Tj)25℃的RDS(on)到100℃時，CoolGaN較CoolSiC多了30%的RDS(on)，而CoolMOS甚至比CoolSiC多了50%的RDS(on)，在RDS(on)對應溫度的變化，可以了解CoolSiC表現較佳，甚至可以用較高RDS(on)來和CoolGaN或是CoolMOS做對應。iYaEETC-電子工程專輯

圖5：RDS(on)對應溫度的變化iYaEETC-電子工程專輯

三、  應用在功率因素修正(PFC)架構

依據效率要求來看PFC架構的演進，如圖6所示，傳統的PFC架構換成Dual Boost可以達到98%效率，如果要簡化線路架構，可以使用半橋(HB) Totem Pole PFC架構來達到98%效率。iYaEETC-電子工程專輯

要達到99%效率，可以使用TCM(Triangular Conduction Mode) Totem Pole PFC或是全橋(FB) Totem Pole PFC，當效率要提升到99.5%的高效率，則需要使用TCM Totem Pole PFC + GaN/SiC。其中矽功率開關組件因為Qrr的特性，不能被使用在半橋Totem Pole PFC和全橋Totem Pole PFC，只能使用在TCM Totem Pole PFC的架構上。iYaEETC-電子工程專輯

圖6：PFC架構的演進iYaEETC-電子工程專輯

比較CoolMOS、CoolSiC和CoolGaN在四種不同電路架構(CCM Totem Pole、Dual boost、H bridge、TCM Totem Pole PFC)中的差異，輸入電壓為230Vac、輸出電壓為400Vdc、輸出功率為3kW，由於在標稱輸入電壓期間，50%負載下的效率目標要到達99%，且要確保PFC電感不飽和，開關頻率設定從70%的負載開始，將切換頻率從45kHz提高到65kHz，其效率曲線如圖7所示。    在CCM FB Totem Pole PFC的架構上，CoolGaN和CoolSiC之間的RDS(on)選擇差異是由於CoolSiCTM有較佳的RDS(on)溫度依賴性。iYaEETC-電子工程專輯

由效率曲線可以得知CoolGaNTM搭配CCM Totem Pole PFC架構可以符合效率目標的設定。CoolSiC搭配CCM Totem Pole PFC架構在負載的30%和40%時達到了目標效率，但在負載的50％時只有勉強滿足。CoolMOS使用TCM Totem Pole PFC的電路架構可以讓CoolMOS的效率和寬能隙的CCM Totem Pole 架構作效率的競爭比較，讓CoolMOS在架構的搭配下也可以得到高的效率，但是電路相對會比較複雜。iYaEETC-電子工程專輯

H-Bridge和Dual boost的架構可以達到98.5%效率，但要達到99%的效率，採用Totem Pole PFC會比較合適。iYaEETC-電子工程專輯

圖7：PFC架構效率比較iYaEETC-電子工程專輯

四、  應用在直流轉換器(DC/DC Converter)架構

採用半橋LLC的架構在直流轉換器的比較，設定工作在三個不同的諧振頻率100kHz、300kHz和500kHz，而且磁性組件是針對各個諧振頻率而設計和優化，效率如圖8所示。iYaEETC-電子工程專輯

設定50%負載時的效率為97.5%，用來符合80 Plus鈦金標準的最低要求。半橋LLC在100kHz的諧振頻率下，這三種功率開關組件都可以滿足至少97.5%的最低效率要求。在300kHz的共振頻率下也都可以符合需求，但是我們已經可以觀察到這三種功率開關組件的差異，CoolMOS即將達到極限。而進一步將諧振頻率提高到500kHz後，CoolMOS不再能夠滿足最低效率要求，另外CoolSiC也已經接近極限，以結果來看CoolGaN是這應用中唯一能夠符合500kHz效率要求的組件，而且有足夠的餘度。iYaEETC-電子工程專輯

圖8：DC/DC架構在負載50%的效率比較iYaEETC-電子工程專輯

另外80 Plus鈦金在負載10%的效率也有要求，在這裡將效率目標固定為94%，效率如圖9所示。在100kHz的諧振頻率下，這三個功率開關組件都可以符合要求，但是在300kHz時，CoolMOS和CoolSiC都無法滿足要求，在500kHz也只有CoolGaN可以符合。在10％的負載下，CoolGaN也是唯一在500kHz諧振頻率下能夠滿足80 Plus鈦金效率標準的組件。iYaEETC-電子工程專輯

圖9:DC/DC架構在負載10%的效率比較iYaEETC-電子工程專輯

五、結論

本文介紹矽、碳化矽和氮化鎵材料組件之特性並做比較，矽功率開關組件有很好的易用性和較高的性價比，且已經被廣泛的應用到各領域，在沒有特殊設計規格要求下，目前矽功率開關組件仍是首選。氮化鎵可將應用的範圍往高頻延伸，具有最佳的效率、功率密度的關鍵質量因子，也可以使用在矽功率開關組件無法使用的架構上，例如Totem Pole PFC的架構，且適合任何硬切換和軟切換的架構，對於在半橋架構上的硬換向也具有高的可靠性。碳化矽和氮化鎵相同可以使用在Totem Pole PFC的架構，在半橋架構上的硬換向也同樣有高的可靠性，具有優良的熱傳導特性，適合在高功率與高溫操作條件的應用。iYaEETC-電子工程專輯

作者：楊東益、林志宏，英飛凌科技iYaEETC-電子工程專輯

責編：Amy GuaniYaEETC-電子工程專輯

本文為《電子工程專輯》2020年11月 刊雜誌文章，版權所有，禁止轉載。點擊申請免費雜誌訂閱  iYaEETC-電子工程專輯

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