GaAs二極管是WBG功率半導體中的全新成員，其為設(shè)計人員提供了一種能夠在高性能功率變換器中平衡效率與成本的方案。GaAs二極管技術(shù)是由3-5 Power Electronics (3-5pe.com）率先開發(fā)的，其具有Si 二極管的低傳導損耗特性和類似于SiC二極管的動態(tài)開關(guān)特性，從而能夠以較低的成本提供優(yōu)異的性能。

簡介

高壓Si二極管的正向?qū)▔航递^低，但其反向恢復特性使其在功率變換器中會產(chǎn)生很大的動態(tài)損耗。SiC二極管的反向恢復損耗可忽略不計，但與Si器件相比，其體電容和正向?qū)▔航蹈摺＝柚軌蛱峁㏒i二極管和SiC二極管各自性能優(yōu)勢的GaAs二極管技術(shù)，本文探索并比較了基于不同種類功率器件的10 kW、100 kHz移相全橋轉(zhuǎn)換器（PSFB：Phase Shifted Full Bridge）的性能，其中通過在這種應(yīng)用中對GaAs二極管、SiC二極管和超快恢復Si二極管進行對比測試的結(jié)果表明，GaAs二極管總體效率與SiC二極管的相當，而成本相對大幅降低。

為什么選擇GaAs?

成本 ：用于GaAs二極管的晶圓原材料成本以及其固有的較低制造工藝成本優(yōu)勢實現(xiàn)了以更低的成本媲美SiC二極管的性能，其中封裝好了的GaAs二極管的典型成本約為SiC二極管的50％~70％。

可用性 ：GaAs作為一種半導體材料已經(jīng)在射頻應(yīng)用中得到廣泛使用，是目前第二大常用的半導體材料。由于它的廣泛使用，因此可以從與Si材料制造工藝類似的多個來源來獲得，這些因素都有利于該技術(shù)實現(xiàn)低成本化。

軟開關(guān)還是硬開關(guān)？

與主流的Si器件相比，SiC在二極管和晶體管的開關(guān)特性方面有了顯著改善，近年來的應(yīng)用趨勢是使用軟開關(guān)拓撲以使變換器獲得整體最高性能。GaAs二極管非常適用于這類軟開關(guān)拓撲，使設(shè)計人員既可以受益于比SiC器件更低的傳導損耗，而又無需承受Si器件中額外的動態(tài)損耗。

對于給定的功率輸出而言，由于實現(xiàn)零電壓轉(zhuǎn)換需要循環(huán)諧振能量，軟開關(guān)拓撲中的功率半導體器件中會流過較高的電流有效值。具有較低正向壓降的GaAs之類的科技可以有效降低這種諧振能量引起的損耗，并充分利用零電壓開關(guān)運行的優(yōu)勢。

二極管的損耗

理想的二極管可在不產(chǎn)生任何功耗的情況下實現(xiàn)其功能，但實際上任何二極管（包括WBG器件）均會因其實際運行中各種因素導致功耗產(chǎn)生，從而偏離這一理想狀態(tài)。在大多數(shù)變換器中，損耗歸因于次級側(cè)二極管影響的主要有以下3部分：

1.當二極管流過電流時，非零正向壓降會帶來傳導損耗，而這種損耗機制取決于拓撲結(jié)構(gòu)，通常與頻率無關(guān)。
2.由二極管體電容導致的損耗，其中體電容越大則損耗越大，這部分取決于拓撲/頻率，因此產(chǎn)生的損耗會影響到變換器中的其他元件。
3.由反向恢復效應(yīng)造成的損耗取決于拓撲/頻率，這部分損耗會在變換器二極管和其他元件中表現(xiàn)出。

上述損耗類型的相對水平取決于二極管特性、拓撲和開關(guān)頻率，正向傳導損耗相對容易計算，而二極管體電容和Trr所引起損耗的計算則相對復雜。

二極管特性對比

在測試中，我們對3種二極管進行了相關(guān)參數(shù)的比較，具體如圖1所示。

圖1：3種二極管參數(shù)對比

上述數(shù)據(jù)比較表明，從正向傳導性能的角度來看，Si二極管和GaAs二極管都比SiC二極管的性能更好，尤其是在高結(jié)溫下。從開關(guān)特性角度來看，SiC二極管具有更高的結(jié)電容，但其反向恢復時間Trr基本為零。接下來的問題在于針對10 kW PSFB應(yīng)用，這些二極管特性將如何影響整體效率？

PSFB中二極管引起的損耗

典型PSFB拓撲電路如圖2所示，其中二極管為D1~D4。

圖2：PSFB拓撲

PSFB通過使Q1/Q3和Q2/Q4晶體管對分別以50％的占空比運行，并通過控制其相對相位來控制功率流動，這種運行模式允許一次側(cè)器件Q1~Q4在寬負載條件范圍下以零電壓開關(guān)運行。

D1D4的組合電容和變壓器以及PCB布線的分布電容疊加到一起，導致D1D4兩端在開關(guān)期間會產(chǎn)生諧振電壓。為防止D1~D4損壞，可使用緩沖電路將諧振電壓鉗位在其可承受范圍內(nèi)。在PSFB中，量化有源緩沖電路吸收的能量是衡量動態(tài)特性（體電容和Trr）影響的直接方法。將變換器整體效率與緩沖電路損耗結(jié)合在一起，可以在該應(yīng)用中準確地對二極管性能進行對比測試。

對比測試結(jié)果

變換器樣機的最大輸出被設(shè)計為500 V/30 A/10 kW，圖3為變換器在輸入電壓600 V及輸出330 V/20 A運行時的波形，圖中的藍線（C3）為在有源緩沖電路兩端測得的電壓，由于鉗位功率是鉗位電壓的直接函數(shù)，因此有源緩沖電路被設(shè)計為使用單獨控制環(huán)路工作，從而使用戶能夠?qū)Q位電壓設(shè)置在固定水平，其中圖3中鉗位電壓為800 V。

圖3：PSFB變換器運行波形

（C1/C2 為Q1/Q3、Q2/Q4器件對上的電壓，C3為D1~D4整流輸出電壓且C4為L2中電流）

利用圖2中詳細設(shè)計參數(shù)，可以實現(xiàn)圖4所示的輸出特性，其中彩色區(qū)域為一次側(cè)MOSFET的ZVS運行區(qū)域，而等值線則為所需的相移。對比測試是在600 Vdc固定輸入下進行的，輸出連接恒定電流負載，然后通過相移改變輸出電壓。效率和緩沖電路功耗與輸出電壓的關(guān)系是在輸出電流分別為10 A、15 A和20 A時測量的。

圖4：PSFB在ZVS區(qū)域且在恒定相移等值線下的VI輸出特性

從圖5中的結(jié)果可以得出如下結(jié)論：

*基于GaAs二極管和SiC二極管的解決方案的整體變換器效率幾乎相同，尤其是在較大負載電流下。在較大輸出電流下，GaAs二極管Trr導致稍高的緩沖電路損耗被其較低的導通損耗所抵消，從而實現(xiàn)與SiC二極管相同的整體效率。
*由于緩沖電路損耗較大（即與Trr相關(guān)的損耗），超快恢復Si二極管的效率在此應(yīng)用中表現(xiàn)得非常差。由于測試均在高緩沖功率水平下進行，使用超快恢復Si二極管進行的測試僅限于低功率區(qū)間。
*GaAs和SiC緩沖電路損耗較為接近，說明GaAs中Trr引起的額外損耗在很大程度上與SiC器件較大的體電容所帶來的損耗相當。

圖5：基于GaAs二極管、SiC二極管及超快恢復Si二極管的PSFB效率對比測試（左）及緩沖電路損耗（右）對比測試

根據(jù)相關(guān)研究經(jīng)驗，我們開發(fā)了一個分析模型來對由二極管體電容和Trr引起的緩沖電路損耗進行模擬。分析表明，在Trr周期內(nèi)，多余的能量被加載到諧振電路中，從而導致額外的鉗位損耗。因此，對于給定的工作點，緩沖電路損耗與二極管體電容和Trr呈函數(shù)關(guān)系。對于本文詳細介紹的PSFB而言，其在500 V/ 20 A輸出工作點時可以使用分析模型來預測二極管體電容和Trr帶來的緩沖電路損耗，從而可以比較3種二極管的特性，具體如圖6所示。

圖6：PSFB運行在500 V/20 A輸出時由二極管Trr和體電容引起的緩沖電路損耗對比

從圖6可以看出，GaAs二極管和SiC二極管的緩沖電路損耗大致相同，SiC二極管的零Trr優(yōu)勢被其體電容較高的劣勢所覆蓋。由于超快恢復Si二極管的反向恢復時間較長，其二極管電容較低的優(yōu)勢被功耗更高的劣勢所覆蓋。GaAs二極管低體電容和低Trr的特性使其可以獲得與SiC類似的動態(tài)性能表現(xiàn)，并具有正向傳導損耗更低的額外優(yōu)勢。

PSFB樣機中的變壓器、輸出電感器和PCB布線中總負載電容約為300pF，圖6中數(shù)據(jù)在所有情況下都包含該基準電容，其中二極管總電容則為4個二極管的電容總和。

結(jié)論

在研究轉(zhuǎn)換器的整體效率時，重要的是要了解包括二極管動態(tài)特性等所有主要損耗產(chǎn)生機制。上述討論表明，GaAs二極管的低正向壓降、低電容和低/穩(wěn)定Trr的極佳組合使其適合應(yīng)用于PSFB等軟開關(guān)應(yīng)用。

GaAs二極管帶來的系統(tǒng)級成本優(yōu)勢可以極大地使諸如電動汽車充電系統(tǒng)等高速增長的高性能電力電子產(chǎn)品受益。在實際應(yīng)用中，由二極管引起的正向傳導特性和動態(tài)損耗的詳細知識為設(shè)計人員提供了優(yōu)化性能和成本的工具。