打造理想半导体开关所面临的挑战

这篇博客文章最初由 United Silicon Carbide (UnitedSiC) 发布，该公司于 2021 年 11 月加入 Qorvo 大家庭。UnitedSiC 是一家领先的碳化硅 (SiC) 功率半导体制造商，它的加入促使 Qorvo 将业务扩展到电动汽车 (EV)、工业电源、电路保护、可再生能源和数据中心电源等快速增长的市场。

自 1958 年 IBM 设计出首个管状“开关模式电源”以来，打造无传导和开关损耗的理想开关一直是电源转换器设计者的梦想。如今，各项开关技术的通态损耗都有了明显降低；采用最新的宽带隙半导体的产品，在750V 额定电压下的电阻已能达到小于 6 毫欧的水平。目前这项技术还未达到其物理极限，预计在不久的将来，该阻值还会进一步降低。

在当今的高性能功率设计中，边缘速率 (V/ns) 有所提高，降低了开关损耗，可实现更高的频率、更小的磁性元件和更高的功率密度。然而，这些快速边缘速率增加了造成电磁干扰设计相关问题的可能性，这些问题会与电路寄生效应发生相互作用，导致不必要的振荡和电压尖峰。借助良好的设计实践，这些问题可以使用小缓冲电路解决。

那么，这个问题有多严重呢？如果我们看到速率达到 3000A/µs，也就是典型的碳化硅开关值，那么根据熟悉的 E=-Ldi/dt 公式，仅 100nH 连接电感或漏电电感就会产生 300V 尖峰电压。100nH 仅仅是几英寸 PCB 迹线的电感或变压器漏电电感的真实值，所以这就是通常会看到的情况，而且需要一个好的示波器才能看到整个电压瞬态。不过该开关在看到瞬态方面没有问题，如果超过额定雪崩电压能量，会立即停止运转。在任何电路电容下，该尖峰都会振铃，从而让测量的电磁干扰释放达到峰值。

一个补救措施是尝试降低电路电感，但这通常不是一个实用的选择。此外，还可以大幅降低该开关的电压，代价是影响成本和导通电阻，也可以使用串联栅极电阻放缓边缘速率。这个仪器并不敏感，它延迟了波形，通过限制占空比限制了高频运行，还提高了开关损耗，同时几乎不影响振铃。

振铃可通过缓冲网络实现，支持快速开关，但会减少尖峰和抑制振铃。在大电容器和大功率电阻时代，这看起来像是一个“暴力破解”方法，与 IGBT 等一起使用，试图减少大“尾”电流效应。然而，对于 SiC FET 等开关而言，这是一个非常高效的解决方案。在这种情况下，主要使用缓冲电路抑制振铃，同时限制峰值电压。因为器件电容非常低，振铃频率高，所以只需要一个非常小的缓冲电路电容，通常为 200pF 左右，并使用几欧姆的串联电阻。与预期一样，电阻会耗散部分功率，但是它实际上会通过限制硬开关和软开关应用中的电压/电流重叠来降低关闭损耗。

打开时，缓冲电路会耗散额外的功率，因此需要考虑总损耗E(ON)+ E(OFF)才能公正地评估其优势。将一些测量值代入E(TOTAL)以体现 40毫欧 SiC FET 在 40kHz 下的运行状况，考虑了三种情况：无缓冲电路，RG(ON)和 RG(OFF)为 5 欧姆（蓝线）；200pF/10欧姆缓冲电路，RG(ON) = 5 欧姆，RG(OFF) = 0欧姆（黄线）；无缓冲电路，RG(ON) = 5 欧姆，RG(OFF) = 0欧姆（绿线）。这会得出最低的 E(TOTAL)；但是振铃过高，因而不可行。

在高电流下，使用缓冲电路的好处很明显，与仅调整栅极电阻相比，在 40A 下的耗散降低约 10.9W。在轻负载下，缓冲电路的整体损耗较高，但是在这些条件下，系统耗散很低。

图1

使用小缓冲电路节省能耗

图2

显示了缓冲电路减少振铃的效果。

综上所述，缓冲电路是一个不错的解决方案，但切实可行吗？在实践中，独立的缓冲电路电阻耗散的功率不到 1 瓦，而且可以是小型表面安装器件。电容需要高额定电压，但是电容值低，因此体积也小。

SIC FET 的导电损耗和动态损耗都低，接近理想开关，而且只需增加一个小缓冲电路，就可以发挥全部潜力，且不会造成过高的电磁干扰或电压应力问题。为了使其更加“完美”，SiC FET 具有简单的栅极驱动和低损耗整体二极管，对外部散热的热阻非常低。还有什么理由不喜欢它呢？

Qorvo 大家庭

https://cn.qorvo.com/newsroom/news/2021/qorvo-acquires-unitedsic-leading-provider-of-silicon-carbide-power-semiconductors

750V 额定电压

https://info.unitedsic.com/gen4

缓冲网络

https://info.unitedsic.com/fet-design-tips?hsLang=en#rcsnubber