GaAs二極管是一種新型寬帶隙功率半導(dǎo)體，它為設(shè)計(jì)人員提供了一種在高性能功率轉(zhuǎn)換中權(quán)衡效率和成本的方法。高壓硅二極管具有較低的正向傳導(dǎo)壓降，但由于其反向恢復(fù)行為，會(huì)在電源轉(zhuǎn)換器中造成顯著的動(dòng)態(tài)損耗。碳化硅二極管的反向恢復(fù)行為可以忽略不計(jì)，但與硅相比，它確實(shí)表現(xiàn)出更高的體電容和更大的正向傳導(dǎo)壓降。由于GaAs技術(shù)能夠提供硅和SiC的有用特性，本文比較了10kW、100kHz相移全橋(PSFB)的性能。在此應(yīng)用中對(duì)GaAs、SiC和超快硅二極管進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)試的結(jié)果表明，GaAs二極管以顯著降低的成本點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了與SiC相當(dāng)?shù)恼w效率。

1.為什么是砷化鎵?

(1)成本：用于GaAs二極管的晶圓的原材料成本及其固有的較低制造工藝成本，以及低價(jià)格實(shí)現(xiàn)了SiC性能的重要機(jī)會(huì)。封裝GaAs二極管的成本約為可比SiC部件的50%至70%。

(2)可用性：GaAs作為一種材料已經(jīng)廣泛用于射頻應(yīng)用，并且是世界上使用量第二大的半導(dǎo)體材料。由于其廣泛使用，它可以從多個(gè)來源獲得，其制造工藝類似于硅。這些因素都支持該技術(shù)的低成本基礎(chǔ)。

2.軟切換還是硬切換?

與主流硅相比，碳化硅的性能在二極管和晶體管開關(guān)特性方面提供了顯著改善，但近年來的趨勢(shì)是使用軟開關(guān)拓?fù)湓谡麄€(gè)轉(zhuǎn)換器中實(shí)現(xiàn)最高水平的性能。這些軟開關(guān)拓?fù)浞浅＿m合GaAs二極管，使設(shè)計(jì)人員能夠從比SiC更低的傳導(dǎo)損耗中受益，而不會(huì)遭受普通硅會(huì)產(chǎn)生的額外動(dòng)態(tài)損耗。

由于強(qiáng)制零電壓轉(zhuǎn)換所需的循環(huán)諧振能量，軟開關(guān)拓?fù)渫ǔＴ诮o定功率輸出的功率半導(dǎo)體中運(yùn)行更高的RMS電流。具有較低正向壓降的GaAs等技術(shù)可以減少這種循環(huán)能量造成的損耗，并充分發(fā)揮開關(guān)零電壓操作的優(yōu)勢(shì)。

3.二極管造成的功率損耗

“理想”二極管將在不產(chǎn)生任何損耗的情況下執(zhí)行其功能，但任何實(shí)際二極管(包括寬帶隙器件)都與這種理想情況不同，其實(shí)際行為的不同方面會(huì)導(dǎo)致功率損耗。在大多數(shù)轉(zhuǎn)換器中，次級(jí)側(cè)二極管造成的損耗可以歸為以下三個(gè)主要方面之一：

當(dāng)二極管傳導(dǎo)電流時(shí)，非零正向壓降會(huì)導(dǎo)致傳導(dǎo)損耗。這種損耗機(jī)制與拓?fù)溆嘘P(guān)，但通常不是頻率的函數(shù)。

由于二極管的體電容引起的損耗，較高的電容導(dǎo)致較高的損耗。這是拓?fù)?頻率相關(guān)的，并且由此產(chǎn)生的損耗強(qiáng)加在轉(zhuǎn)換器中的其他組件上。

由于拓?fù)?頻率相關(guān)的反向恢復(fù)效應(yīng)造成的損耗。這些損耗在轉(zhuǎn)換器中的二極管和其他組件中出現(xiàn)。

上述損耗類型的相對(duì)水平取決于各個(gè)二極管的特性、拓?fù)溥x擇和工作頻率。正向傳導(dǎo)損耗相對(duì)容易計(jì)算，而由于二極管電容和Trr引起的損耗更復(fù)雜。

4.二極管性能比較

在基準(zhǔn)測(cè)試期間比較了三個(gè)二極管，比較如圖1所示。

圖1基準(zhǔn)二極管比較

數(shù)據(jù)比較表明，從正向傳導(dǎo)性能的角度來看，硅和砷化鎵的性能都更好，尤其是在高結(jié)溫下。從開關(guān)的角度來看，碳化硅具有明顯更高的電容，但反向恢復(fù)時(shí)間基本上為零。問題是，對(duì)于10kWPSFB應(yīng)用，這些二極管特性將如何影響整體效率?

5.二極管造成的PSFB損耗

圖2顯示了典型的PSFB拓?fù)?，其中二極管在D1到D4位置進(jìn)行了基準(zhǔn)測(cè)試。PSFB通過以50%的占空比運(yùn)行Q1/Q3和Q2/Q4晶體管對(duì)來運(yùn)行，每個(gè)晶體管對(duì)通過控制它們的相對(duì)相位來控制功率流。這種操作允許初級(jí)側(cè)器件Q1-Q4在很寬的負(fù)載條件范圍內(nèi)以零電壓切換工作。

D1-D4的組合電容加到電源變壓器和PCB的分布電容上，會(huì)在開關(guān)轉(zhuǎn)換期間導(dǎo)致D1-D4兩端的諧振電壓。

圖2PSFB拓?fù)?/div>