苹果派与功率转换器效率

在撰写博文时，很多人喜欢用 “母亲和苹果派”（美国俚语，表示大家都认同的说法）这样的内容作为开头，例如提高功率转换效率会带来种种好处，诸如此类。当然，更高的效率无疑是一种优势，但有时 “净增益” 的描述会有失妥当：相比于效率低下的锅炉，家用电器产生少量热量便可使中央供暖系统在寒冷条件下轻松运行，也许还可以提升能源使用的整体效率，降低其整体成本。白炽灯亦是如此，当您需要取暖时，白炽灯随时能成为非常有效的加热器。

其他用户也确实看到了一个主要优势：在温暖的地方，空调系统所产生的热量会增加其功耗，从而导致成本成倍攀升。但在工业领域，比如说服务器机群，其能源需求如今超过了全球能源需求的 1%，所以其效率每提高一个小零头，都代表着可以节省大量成本并大幅降低环境影响。有时候，效率提升会达到一个 “临界点”，此后的优势将会成倍飙升。就拿电动汽车来说，若能在其改进过程中创造出更小巧、更轻便的功率转换器，那必能降低能源需求、延长行驶里程。

因此，哪怕只能提高一个小数，众多工程师仍会不遗余力地提升效率。在使用不熟悉但具有部分改进的新型拓扑结构进行设计时，他们会评估该设计是否会在某个时间范围内产生较低的总拥有成本。毋庸置疑，随着效率的不断提高，任何改进都会变得更加困难，当效率已经达到 99.5% 左右时，仅 ±0.1% 的输入和输出功率测量误差都可能导致计算损耗比实际值高或低 40%。当电源输入为存在失真且功率因数欠佳的交流电源，直流电源输出有残留噪声分量，给 DVM 造成混淆时，情况会变得更糟。现在，我们经常使用量热法来测量热量输出，而不是通过电气测量来推断热量输出。

图 1. 在效率水平较高的情况下，即使测试设备的精确度仅为 ±0.1%，也会导致效率测量精确度产生较大波动

通过仅改进设计好的半导体来提高功率转换器效率是一种风险相对较低的办法。我们可以适当考虑 EMI 辐射的变化，将基于 MOSFET 的转换器升级为具有较低导通电阻和可能更低开关能量要求的较新器件。但是，要想利用较新的宽带隙器件（如 SiC MOSFET 或 GaN HEMT 单元），就必须对电路（尤其是栅极驱动）进行较大的改变。如果现有电路是基于 IGBT 而搭建，则需要考虑彻底地进行重新设计，以便使用宽带隙器件。

栅极驱动问题与电压电平有关。所以，要实现全面提升，SiC MOSFET 需要使用电压电平明显高于 Si-MOSFET 的导通驱动，这个电压电平应非常接近器件的绝对最大额定值，且应进行严格限制。导通和关断状态之间存在的较大电压波动也意味着需要一定的驱动功率，因为每个导通和断开周期都会对栅极电容进行充放电。此外，电压阈值也不是固定值，且存在迟滞，因此实现最佳驱动比较困难。在某种程度上，GaN HEMT 单元则与前述情况相反，其栅极阈值电压和绝对最大值都非常低，不过也必须要严格控制其驱动电路，以免出现过应力和故障。

如果功率转换器电路需要实现反向或第三象限传导，则 SiC MOSFET 中的体二极管性能至关重要，否则可能会由于其较高的回收能量和正向电压降而导致过度损耗。GaN 器件中没有体二极管，通过信道进行反向传导，但在信道通过栅极驱动实现主动增强之前，会在死区时间出现较高的压降。如果栅极在关断状态下为负栅极，则 “换向” 期间的电压降会更高。

使用多个 SiC FET（即 Si-MOSFET 和 SiC JFET 的共源共栅组合）是更有益的解决方案。此类器件采用了 Si-MOSFET 的简单、非临界栅极驱动，但其性能品质因数 “导通电阻 x 面积” 以及 “导通电阻 x EOSS” 优于 SiC MOSFET 和 GaN HEMT 单元的相关品质因数。此外，此类器件本身具有出色的雪崩耐量和自限短路电流性能，且其体二极管效应与具有较低正向压降和快速恢复性能的低压 Si-MOSFET 类似。换句话说，通常只需将 SiC FET 插入 Si-MOSFET 或 IGBT 插槽中,即可实现效率提升。与其他技术不同，我们无法只通过调整栅极驱动电阻来控制 SiC FET 的速度，以限制 EMI 和应力，但使用这些超快器件，我们可以通过小型 RC 缓冲电路来有效地限制过冲和振铃。此外，该电路还可用于简化器件的并联操作。用此类器件取代 IGBT，可以提高开关频率且不会带来过大的动态损耗，从而实现更小巧轻便、成本更低的磁性元件。

SiC FET 是提高所有常见转换拓扑结构效率的安全方法，同时还能带来众多优势。有人说，怕烫的话，不烤苹果派（美国的一种美食，此处表示一种所有人都无法拒绝的美好事物）不就行了。这显然不行，不过在转换器设计中，您却可以改用 SiC FET。