С момента появления устройств с широкой полосой пропускания (ШПЗ) они принесли захватывающую волну в приложения преобразования энергии. Но при каких обстоятельствах имеет смысл переходить с кремния на технологию широкополосной щели? До сих пор в промышленности широко использовались силовые приборы на основе кремния, такие как MOSFET с экранированным затвором, приборы с суперпереходом и IGBT. Эти приборы продолжают улучшаться с точки зрения коэффициента качества (FoM) в сочетании с усовершенствованием топологии и механизмов переключения, что позволяет инженерам добиваться более высокой эффективности систем. Пожалуй, наиболее распространенной причиной, по которой инженеры настаивают на продолжении использования кремниевых пластин, являются их обширные знания и опыт в этой области. Однако в некоторых случаях требования к производительности источников питания нового поколения, инверторов и фотоэлектрических систем делают применение WBG-приборов первоочередным выбором.
В приложениях среднего напряжения OptiMOS компании Infineon может обеспечить лучший в отрасли коэффициент качества. В приложениях, где требуются МОП-транзисторы напряжением 100-200 В, таких как импульсные источники питания (SMPS), инверторы и двигатели с батарейным питанием, уже используются эти высокочастотные оптимизаторы. Однако по мере распространения сопроцессоров искусственного интеллекта (ИИ) и других граничных вычислительных приложений, требующих огромных токов, выдвигаются требования к повышению эффективности источников питания и возможностей реагирования на переходные нагрузки. CoolGaN способен обеспечить FoM и нулевой заряд обратного восстановления значительно лучше, чем любой аналогичный кремниевый прибор среднего напряжения, что делает его идеальным выбором для полумостовых схем. Благодаря особенностям роста в плоскости кристалла, в корпусе может быть реализован инновационный механизм верхнего теплоотвода. В понижающем преобразователе с входным напряжением 54 В и выходным напряжением 12 В конструкция на основе CoolGaN способна обеспечить ток 15 А и достичь пикового КПД более 96,5% при частоте переключения 500 кГц. Это на 1% больше, чем у эквивалентного OptiMOS 5 100V при частоте переключения 100 кГц.
Высоковольтные приложения в диапазоне 400-650 В также получат преимущества от использования CoolGaN-приборов. Повышение эффективности, достигаемое за счет использования более высоких частот переключения, позволяет увеличить плотность мощности. Эта характеристика становится все более ценной с точки зрения занимаемого места и веса. Особенно важны источники питания для коммуникаций и серверов. Комплексный анализ Парето для источника питания 3 кВт/12 В показывает, что технология CoolGaN может обеспечить КПД на 0,7% выше, чем у приборов CoolMOS с суперпереходом, при плотности мощности около 67 Вт/в3. Следует отметить, что GaN-устройства первого поколения находятся в начале своего технологического пути. Исследования показали, что с точки зрения сопротивления включения на единицу площади мы все еще находимся на порядок дальше от теоретического предела.
IGBT TRENCHSTOP уже давно занимают ведущее место в приложениях, требующих коммутации 1200 В, и стали важным продуктом для таких приложений, как фотоэлектрические инверторы, SMPS и автомобильные инверторы. Как и в случае с МОП-транзисторами, каждое новое поколение приборов все больше улучшает компромисс между VCEsat. Однако с появлением технологии карбида кремния (SiC) МОП-транзисторы с твердой траншеей, такие как CoolSiC, имеют очевидные преимущества в потерях на проводимость и переключение и быстро завоевывают признание в вышеупомянутых приложениях. В качестве примера можно привести схему коррекции коэффициента мощности с жестким переключением тотемных полюсов (CCM PFC). CoolSiC обычно может работать при температуре около 100°C, а относительно плоская зависимость RDS(on) от изменения температуры означает, что устройство с сопротивлением 94 мОм может обеспечить 99% КПД в тотемном ККМ КРМ мощностью 3,3 кВт.
В целом CoolGaN и CoolSiC могут обеспечить лучший FoM и более высокую эффективность по сравнению с аналогичными кремниевыми приборами. Однако это не единственные факторы, которые необходимо учитывать. Очень важна цена, а также риски, связанные с внедрением новых технологий. Как GaN, так и SiC имеют различные движущие и рабочие характеристики. Для того чтобы полностью реализовать потенциал этих технологий, могут потребоваться новые топологические архитектуры или технологии управления.
Для КРМ с тотемным полюсом в таких приложениях, как серверы, могут использоваться как SiC, так и GaN-приборы. Поскольку температурная зависимость RDS(on) у SiC-приборов очень низкая, их можно использовать в первую очередь для управления CCM, в то время как GaN имеет преимущества в резонансных приложениях тотемного столба. В традиционном повышающем ККМ кремниевые МОП-транзисторы могут достичь идеальной эффективности системы при меньшей стоимости, чем приборы WBG, поэтому кремниевые МОП-транзисторы по-прежнему являются лучшим выбором. Когда очень важна плотность мощности, особенно в условиях малой нагрузки, CoolGaN имеет меньшие потери в приводе затвора, что делает его лучшим выбором, в то время как CoolSiC является вторым лучшим выбором для высокочастотных приложений в серверах и телекоммуникациях. Это особенно актуально при проектировании LLC. В области автомобильных применений мы ожидаем, что такие приложения, как бортовые зарядные устройства, DC-DC-преобразователи и главные инверторы, будут все больше требовать применения SiC MOSFET.
Проектировщики предпочитают иметь больше возможностей для создания оптимальной конструкции. Чтобы удовлетворить эти потребности, компания Infineon разрабатывает различные устройства WBG в дополнение к своим ведущим в отрасли кремниевым технологиям, что позволяет разработчикам систем сохранить некоторые кремниевые технологии при сохранении некоторых кремниевых технологий. Может улучшить дизайн изделия. Однако, когда придет время, решение WBG сможет подтолкнуть конструкцию источника питания к беспрецедентно высокой эффективности и высокой плотности мощности.
