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使用老式的硅 MOSFET 增加功率密度

Vicor 何时采用 WBG MOSFET?

Mosfet image

作者:Phil Davies,公司全球销售及市场营销业务副总裁

1984 年,我有幸与尊敬的 Rudy Severns 一起环游了欧洲,为 Siliconix 传授新技术。我是一名年轻的应用工程师,当时的新技术是硅功率 MOSFET。工程师那时在他们的开关电源中使用双极晶体管,Rudy 在他的“先进功率 MOSFET 研讨会”上指出了硅 (Si) MOSFET 的许多优点,它可提高开关频率并降低功耗。Rudy 讨论了如何正确使用和应用它们,以及在切换电感负载时如何处理各种 dV/dt 故障模式。

那是 37 年前的事了。快进到 2021 年:我们也遇到了类似的情况,多家初创型公司和大型电源半导体公司推出了新的宽带隙 (WBG) 氮化镓 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 化合物半导体开关,以淘汰硅 MOSFET,因为它们可通过更低的 R(DS)ON 提供更高的开关频率、更低的损耗和更高的击穿电压。由于电气化的发展以及数据中心逐步采用基于 GPU 的人工智能 (AI) 应用,汽车电源的显著增加,为新型 WBG MOSFET 创造了机遇。在这些市场上,电源系统的占用面积、效率和重量将对终端系统的性能和价值产生巨大影响,这进一步提高了电源系统设计的重要性。即使一些电源设计工程师开始采用 WBG MOSFET,先进的拓扑和电源架构仍可通过硅芯片组件实现更高的效率和功率密度。

新一代电源挑战

电源系统设计工程师不断面临的挑战是设计空间占用极少、重量最轻、效率最高而且热管理优化的供电网络 (PDN)。在这些领域力求实现最好的规格,可定义能够带来主要竞争优势的领先产品。

例如电动汽车的电池续航时间(里程)和快速充电规格,或者 AI 超级计算机的速度和机架功率密度。这些都是极具竞争力的性能规格,必须在提供 50kW 到 150kW 功率的同时实现。因此,传统电源转换器、稳压器及其硅芯片组件很难满足 PDN 尺寸和重量的关键性能规格。

电源系统设计人员的困境

每位系统设计人员都会在启动新项目时问一些基本问题:上一个项目成功了,这次我是否需要改变我的设计?我可否使用相同的设计、组件以及我很熟悉并建立了多年信任的供应商?我能否稍微修改一下设计,还是说新规格要求对其进行彻底修改?使用我知道的操作方式,性能提升是否够,或者说我是否需要开发一款新的架构、拓扑或控制系统?我可以承担多大的风险?我的团队是否愿意承担风险,以换取获得更高性能,或是重要的竞争优势?

Vicor 电源模块设计人员一样,他们也会问同样的问题,以便让电源模块的密度、效率及灵活性性能保持领先地位。

使用高压最大限度减少妥协和折中

解决供电难题的一种方法是使用更高的电压。因为功率项和功耗都是基于电压值和电流的平方(P = IV 和 I2R)。使用更高电压,可显著降低线缆和连接器中的 PDN 电流量和配电损耗。这一优势不仅让数据中心机架和轻度混合动力汽车的配电从 12V 变成了 48V,而且还让电动汽车的电池电源变成了 400V、800V 和 1200V。使用高频率开关拓扑来缩小电源转换器和稳压器的占用面积,可在 PDN 尺寸和重量方面实现更多优势。

这些挑战和巨大的新兴市场机遇带来了 WBG MOSFET 的发展和现在的广泛使用,其具有高压功能、更快的开关速度、更高的温度范围,更低的传导电阻以及最小功耗,从而提高效率。对于许多 DC-DC 电源及电源系统的供应商而言,这些属性对于实现所需的功率密度至关重要。

对于大功率高压分立式 DC-DC 转换器设计而言,WBG MOSFET 明显优于硅 MOSFET,但在 Vicor,电源系统设计的模块化电源方法以及独特的专有架构、拓扑、控制系统及电源封装则有助于 硅 MOSFET 的长期使用。在过去的 40 多年中,Vicor 一直在以更高的频率对更高的电压进行转换和稳压,这种不断的创新提高了功率密度和效率。上世纪 80 年代初,Vicor 创始人兼首席执行官 Patrizio Vinciarelli 开发了一款新拓扑,这是一款支持有源箝位的准谐振正激转换器, 他是2019 年 IEEE Willian E. Newell 电力电子产品奖获得者,表彰他为电源电子产品做出的杰出贡献,。这种拓扑使用基于频率调制的、支持零电流开关 (ZCS) 的控制系统切换高达 1MHz 的频率,随后砖型解决方案就诞生了(图 1)。

Brick and QR technology diagram

图 1:砖型封装成为 90 年代的行业标准封装。Vicor 砖型 DC-DC 转变器采用准谐振正激转换器拓扑和硅 MOSFET,根据输入电压范围和输出电压,实现 120W/in3 的功率密度和高达 89% 的效率。

因此,转向阴暗面(销售和市场营销)并忘记我所有的工程培训时,我请教了高级应用工程师 Tom Curatolo,他在 Vicor 工作了 30 多年,请他讲解了一些砖型拓扑和控制系统的优势。这是他告诉我的。

砖型解决方案采用硅 MOSFET,充分利用高频率开关以及采用固定通导时间在零电流下让主开关转换同步的功能,显著降低了开关损耗。

另一种硬开关拓扑可使用更高的开关频率来抵消系统的功率损耗。此外,实现高效率还需要同步整流并整合多相功能。较低频率的开关需要使用更大的无源器件,这需要在 MOSFET 基于可变通导时间的更长开关周期间,将功率保持更长时间。

另一个问题是,在主开关转换期间,带斩波电流的较低开关频率会导致高谐波失真以及需要滤波的输出纹波。这通常需要添加更大的输入滤波器,从而会增加尺寸和重量。

谢谢你,Tom!权衡的结果就是,基于硬开关 PWM 拓扑的电源系统依赖于硅 MOSFET 功率开关的进步来提高功率密度和性能。由于功率 MOSFET 开始了其改进品质因数 (FOM) 以及降低裸片尺寸与 R(DS)ON 及漏源击穿电压 (BVDSS)(将其降低到了上世纪 80 年代做梦也想不到的水平)的旅程,因此所有拓扑充分利用这些电源开关改进的优势缩减了电源系统的尺寸和重量。

今天,许多硬开关拓扑正在转向 WBG 材料,如 SiC 和 GaN 功率 MOSFET,以进一步提高功率密度和效率,特别是高压大功率系统。

然而,硅功率 MOSFET 在 Vicor 发明的谐振转换器拓扑中仍然很强大,最为著名的是支持 ZVS 和 ZCS 控制系统的正弦振幅转换器 (SAC™) 拓扑。一个可实现的密度和效率的明显示例是 Vicor NBM6123,这是一款非隔离的双向 800 — 400V 固定比率转换器,它使用 SAC 拓扑和硅 MOSFET,实现了业界领先的规格,效率 99%,功率密度 10kW/in3 的(图 2)。

NBM SAC block diagram

图 2:NBM6123 是一款双向 800 — 400V 固定比率转换器,使用非隔离版本的 SAC 拓扑和硅 MOSFET,以 99% 的效率实现了 10kW/in3 的功率密度。

经常问及的问题:Vicor 何时采用 WBG MOSFET?答案很简单:当优点足以证明改变是合理的时候。在此之前,硅功率 MOSFET 将在高性能电源模块中长期使用,至少在 Vicor 是这样的。在 Rudy Severns 第一次倡导用硅功率 MOSFET 取代双极晶体管时,我们都知道,有一天,也会有一种新技术取代硅功率 MOSFET。但我们没想到硅 MOSFET 能够持续使用近 40 年。Vicor 技术也将把 WBG MOSFET 推向效率和功率密度的新高。但在此之前,久经考验的硅功率 MOSFET 在高性能电源模块中将继续使用…至少在 Vicor 是这样。

本文最初由 IEEE Power Electronics 发布。

Davies 先生自 2011 年 2 月份起,一直担任我们公司全球销售及市场营销副总裁。在加入公司之前,Davies 先生于 2010 年 9 月至 2011 年 2 月,在 OSRAM Sylvania 的固态光引擎业务部担任业务创新团队负责人。Davies 先生在 Analog Devices 公司担任过多个职务,最后曾担任全球业务开发总监,Analog Devices 公司是一家高性能模拟、混合信号及数字信号处理集成电路制造商。Davies 先生毕业于格拉摩根大学 (the University of Glamorgan),获电源电子学士学位和硕士学位。

Phil Davies

Phil Davies,公司全球销售与市场营销业务副总裁

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