【導讀】過去30 年，基于硅的 BJT在大多數電源設計中被MOSFET和IGBT等CMOS替代產品逐漸取代，但是今天，碳化硅賦予 BJT 新的生命，以更高的效率特別是能夠使用更便宜的元件，收復失地，重新成為受歡迎的替代產品。SiC BJT真的這么厲害嗎？讓我們用事實和實驗數據來說話。
碳化硅布局以同等或更低的損耗實現更高的開關頻率，并且在相同形狀因數的情況下可產生更高的輸出功率。 運用了 SiC BJT 的設計也將使用一個更小的電感，并且使成本顯著降低。 雖然運用碳化硅工藝生產的 BJT 相較于僅基于硅的 BJT 會更昂貴，但是使用 SiC 技術的優勢在于可在其它方面節省設計成本，從而實現更低的整體成本。 本文介紹的升壓轉換器設計用于光伏轉換階段，其充分利用 SiC BJT 的優勢，在顯著降低系統成本的同時可實現良好的效率。
碳化硅 BJT的優勢
基于硅的 BJT 在高壓應用中失寵有幾方面原因。 首先，Si BJT 中的低電流增益會形成高驅動損耗，并且隨著額定電流的增加，損耗變得更糟。 雙極運行也會導致更高的開關損耗，并且在器件內產生高動態電阻。 可靠性也是一個問題。 在正向偏壓模式下運行器件，可能會在器件中形成具有高電流集中的局部過溫，這可能導致器件發生故障。 此外，電感負載切換過程中出現的電壓和電流應力，可能會導致電場應力超出漂移區，從而導致反向偏壓擊穿。 這會嚴格限制反向安全工作區 (RSOA)，意味著基于硅的 BJT 將不具有短路能力。
在運用碳化硅的新型 BJT 中不存在同樣的問題。 與硅相比，碳化硅支持的能帶間隙是其三倍，可產生更大的電流增益，以及更低的驅動損耗，因此 BJT 的效率更高。 碳化硅的擊穿電場強度是硅的 10 倍，因此器件不太容易受到熱擊穿影響，并且要可靠得多。 碳化硅在更高的溫度下表現更出色，因此應用范圍更為廣泛，甚至包括汽車環境。
從成本角度而言，碳化硅的高開關頻率在硬件級可實現成本節約。 雖然相較于基于純硅，基于碳化硅的 BJT 更昂貴，但 SiC 工藝的高功率密度將會轉換為更高的芯片利用率，并且支持使用更小的散熱器和更小的過濾器元件。 從長遠來看，使用更昂貴的碳化硅 BJT 實際上更省錢，因為整體系統的生產成本更低。 我們設計的升壓轉換器就是一個例子。 它設計用于額定功率為 17 千瓦的光伏系統中，具有 600 伏的輸出電壓，輸入范圍為 400 到 530 V。
傳統BJT和碳化硅 BJT管理效率對比
BJT 的驅動器電路能夠減少損耗和提高系統效率。 驅動器做了兩件事： 對器件電容迅速充放電，實現快速開關；確保連續提供基極電流，使晶體管在導通狀態中保持飽和狀態。
為了支持動態操作，15V 的驅動器電源電壓引起更快的瞬態變化，并提高性能。 SiC BJT 的閾值電壓約為 3V。通常情況下無需使用負極驅動電壓或米勒鉗位來提高抗擾度。
SiC BJT 是一個“常關型”器件，并且僅在持續提供基極電流時激活。 選擇靜態操作的基極電流值會涉及到傳導損耗和驅動損耗間的折衷平衡。 盡管有較高的增益值（因此會形成較低的基極電流），驅動損耗對 SiC BJT 仍非常重要，由于 SiC 布局具有較寬能帶間隙，因此必須在基極和發射極間提供一個更高的正向電壓。 將基極電流增加一倍，從 0.5A 增加到 1A，僅降低正向等效電阻 10％，因此需要降低傳導損耗，同時使飽和度轉變為較高水平。 這是我們設計升壓轉換器的一個重要考慮因素，因為它會在更高的電流紋波下運行。 1A 的基極電流會使開關能力增加至 40A
靜態驅動損耗是選定驅動電壓和輸入電壓的一個函數（間接表示占空比值）。 實現高開關速度需要 15V 的驅動電壓，產生約 8W 的損耗，主要集中在基極電阻上。 為了彌補這方面的損耗，對于動態和靜態操作，我們通常使用兩個單獨的電源電壓。 圖 1 提供了示意圖。高壓驅動器的控制信號會“中斷”，因此它僅在開關瞬態期間使能。 靜態驅動階段使用較低電壓，從而可以降低靜態損耗，并在整個導通期間保持激活狀態。
圖 1.使用兩個電源電壓降低損耗
減小濾波器的尺寸
在更高的開關頻率下運行，可降低無源元件的成本。 為了進一步提高功率密度，我們著眼于改善濾波器電感的方法。 在評估了各種核心材料的能力后，我們選擇了一種使用 Vitroperm 500 F（一種薄夾層式納米晶體材料）制成的新型磁芯材料。 該材料產生的損耗低，且在高頻率下運轉良好。 此外也可在高飽和磁通值下運行，這意味著該材料比類似的鐵氧體磁芯（圖 2 右側）要小得多。 使用 Virtoperm 磁芯構成的濾波電感器，約為參照系統的四分之一大小。
圖 2 顯示了在最大電流紋波（40％）下對于不同材料將電感器尺寸作為開關頻率函數的因素。 在此，我們假設電感量近似為電感值，而這又取決于峰值磁通密度和開關頻率。 在達到指定的臨界點（在 100mW/cm 時定義的特定損耗3）后，需要降低峰值磁通量以避免過熱，從而在該點之外運行將不會導致其大小顯著減小。 頻率一定時，Vitroperm500F 可在所有材料中實現最佳性能。
圖 2. 用作頻率函數的不同芯材的電感器大小，以及與 Vitroperm 和鐵氧體磁芯的大小比較
圖 3 顯示了測得的效率級，包括采用兩階段解決方案的驅動損耗。 根據計算得出的損耗分布如下圖曲線所示。 該系統可以在沒有達到臨界溫度或飽和度的情況下達到高電流負載。 該兩階段驅動解決方案會將驅動損耗降低至輸入功率的 0.02％ 左右。 整體損耗更低使得所需的散熱片尺寸減小，且更高的開關頻率允許使用更小的過濾器元件。 所有這些特性最終有助于降低系統成本。
圖 3. 48 kHz 時的效率和驅動損耗，以及原型圖
在過去 30 多年中，諸如 MOSFET 和 IGBT 之類的 CMOS 替代產品在大多數電源設計中逐漸取代基于硅的 BJT，但是今天，基于碳化硅的新技術為 BJT 賦予了新的意義，特別是在高壓應用中。 碳化硅賦予 了BJT 新的生命，使 SiC BJT 成為極具吸引力的替代產品。與基于硅的前代產品不同，碳化硅 BJT 可實現低傳導損耗、高擊穿場強度，并且可在更廣泛的溫度范圍內穩定運行。 在驅動器電路中使用兩個電源電壓，可降低驅動損耗，實現良好效率。 更高的開關頻率允許使用更小更便宜的電感器，從而在系統級實現顯著的成本節約。 高壓應用（如光伏逆變器）將受益于高功率密度、更低系統成本和簡易的設計。
