مقایسه عملکرد و مزایای GaN در مقابل SiC

   نیترید گالیم (GaN) و کاربید سیلیکون (SiC) FET در مقایسه با ترانزیستورهای اثر میدانی نیمه رسانای اکسید فلز سیلیکون (MOSFET) سطح بالاتری از چگالی و بازده قدرت را در طراحی مدار امکان پذیر می کنند. اگرچه هر دو فناوری باند گپ گسترده ای هستند ، اما تفاوت های اساسی بین GaN و SiC وجود دارد که یکی را در برخی از توپولوژی ها و کاربردهای خاص بهتر از دیگری می کند. هدف این مقاله مقایسه این دو مورد است. بحث در مورد تفاوت در عملکرد سوئیچینگ ، هزینه و برنامه های کاربردی. و فناوری ارائه شده را توضیح دهید.

   قطعات ولتاژ بالای قدرت

   دنیای الکترونیک قدرت در دهه 1950 هنگامی که دو مهندس آزمایشگاه بل MOSFET را اختراع کردند ، شاهد دستیابی به موفقیت بزرگ بود. چند سال بعد اولین MOSFET تجاری به تولید رسید. معرفی ترانزیستورهای دو قطبی گیت عایق بندی شده (IGBT) در دهه 1980 جایگزین دیگری برای کاربردهای با قدرت بالاتر و ولتاژ بالا در مقایسه با یکسو کننده سنتی کنترل شده سیلیکون و تریستور چرخش دروازه ارائه داد دستگاه ها IGBT به اسب کار صنعت برای کاربردهایی مانند درایو AC و DC ، اینورترهای کششی ، منبع تغذیه بدون وقفه و بخاری های القایی تبدیل شد. فرکانس سوئیچینگ در این برنامه ها معمولاً بالاتر از 20 کیلوهرتز نیست. تجاری سازی دستگاه های باند پهن مانند GaN و SiC بار دیگر چشم انداز صنعت برق را تغییر داده است. این دستگاه ها پیشرفت های چشمگیری را در MOSFET ها و IGBT ها ایجاد می کنند ، از جمله ظرفیت گیت کم برای امکان روشن و خاموش کردن سریع تر ، در حالی که تلفات درایو گیت را کاهش می دهد. به عنوان مثال ، GaN شارژ گیت کمتر از 1 nC-Ω در مقابل 4 nC-Ω برای سیلیکون ارائه می دهد. این دستگاه ها همچنین ظرفیت خروجی قابل توجهی پایین را ارائه می دهند ، طراحان را قادر می سازد بدون افزایش تلفات سوئیچینگ مرتبط ، فرکانس های سوئیچینگ بالاتری را بدست آورند و اندازه و وزن هسته های مغناطیسی را در سیستم کوچک کنند. یک دستگاه GaN معمولی دارای شارژ خروجی 5 nC-Ω در مقابل سیلیکون قابل مقایسه با 25 nC-Ω است. همه این المان های ولتاژ بالا دارای مشخصات متمایزی هستند و همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است ، هر کدام دارای قدرت و فرکانس های مختلف تغییر قدرت هستند.

   مقایسه عملکرد GaN و SiC

   GaN و SiC نیازهای مختلف طراحی مدارات الکترونیکی در بازار را تأمین می کنند. دستگاه های SiC سطح ولتاژ حداکثر 1200 ولت با قابلیت حمل جریان بالا را ارائه می دهند. این امر آنها را برای کاربردهایی مانند اینورترهای کششی خودرو و لوکوموتیو ، مزارع خورشیدی با قدرت بالا و مبدل های شبکه سه فاز بزرگ مناسب می کند. از طرف دیگر ، GaN FET ها به طور معمول 600 ولت هستند و می توانند مبدل های با چگالی بالا در محدوده 10 کیلووات و بالاتر را فعال کنند. برنامه های GaN شامل منابع تغذیه مصرف کننده ، سرور ، مخابرات و صنعتی است. درایو هایسروو؛ مبدل های شبکه؛ شارژرهای داخل اتومبیل الکتریکی و مبدل های DC / DC. با وجود این تفاوت ها ، این دو فناوری در برخی از برنامه های زیر 10 کیلووات همپوشانی دارند. در زیر دو مثال مشخص وجود دارد.

   اصلاح ضریب توان تک فاز (PFC)

   هر محصول الکتریکی با خط مصرف بیش از 75 وات نیاز به اصلاح ضریب قدرت (PFC) دارد. PFC اولین مرحله تبدیل نیرو بین شبکه و سیستم است و کل بار را در هر نقطه عملیاتی حمل می کند. بنابراین ، کارایی و چگالی قدرت آن به طور مستقیم بر روی اندازه کلی سیستم تأثیر می گذارد. در برنامه های تک فاز متصل به شبکه ، مراحل PFC به طور معمول برای ورودی AC متناوب (85 VAC تا 264 VAC) طراحی می شوند و ولتاژهای خروجی آنها به 400 VDC می رسد. طراحان از توپولوژی های مختلفی با هدف کاهش اندازه در حین دیدار با صنعت استفاده کرده اند. استانداردهای کارایی به عنوان مثال سطح کارایی تعریف شده در مشخصات "80 PLUS PL" برای منابع تغذیه با درجه تیتانیوم 96٪ است. توپولوژی تقویت دوگانه نشان داده شده در شکل "a" در زیر یک انتخاب محبوب در سیستم های با قدرت بالاتر از 1 کیلووات است. معرفی دیودهای SiC و آخرین نسل ترانزیستورهای MOSFET سوپراکنشن (SJ) برخی از بهبودهای چگالی و کارایی توان را تسهیل کرده است. با این حال ، این پیشرفت ها در دهه گذشته به یک فلات رسیده است. توپولوژی قطب توتم نشان داده شده در شکل "b" در زیر با کاهش تعداد دستگاه های قدرت و سلف ها به نصف ، یک جایگزین مقرون به صرفه برای PFC تقویت دوگانه فراهم می کند ، در حالی که افزایش قابل توجه چگالی و کارایی. راه حل های قطب توتم با هر دو دستگاه SiC یا GaN در دسترس هستند. GaN در این توپولوژی مزایای زیادی نسبت به SiC دارد ، از جمله:
Zero reverse recovery.
برخلاف MOSFET ، هیچ اتصالی از کانال N کانال P در ساختار جانبی GaN FET وجود ندارد. بنابراین ، هیچ دیود بدنی و تلفات بازیابی معکوس مرتبط در این دستگاه ها وجود ندارد. FET های SiC به دلیل وجود دیود بدنه در ساختار خود ، از دست دادن بازیابی معکوس رنج می برند. یک SiC FET معمولی بیش از 85 nC بار بازیابی معکوس دارد.
Lower switching energy.
انرژی سوئیچینگ GaN بیش از 50٪ کمتر از SiC است ، که به طور مستقیم به کاهش تلفات در مرحله PFC تبدیل می شود. دستیابی به فرکانس های سوئیچینگ بیشتر از 1 مگاهرتز در کاربردهای قطب توتم مدل حیاتی امکان پذیر است.
Faster switching speeds.
نسل های جدید دستگاه های GaN با درایورهای گیت یکپارچه می توانند تا 150 ولت در ثانیه سوئیچ کنند و در نتیجه 82٪ کاهش تلفات نسبت به SiC و 63٪ نسبت به FET های گسسته GaN کاهش می یابد.
Lower dead-time losses.
در حین کار PFC ، در هر چرخه سوئیچینگ یک دوره کوتاه وجود دارد - که به آن زمان خاموش نیز گفته می شود - که هیچ یک از کلیدهای نیمه پل روشن نیست. مدت زمان زمان مرده و ولتاژ و جریان همراه منجر به تلفات در هر چرخه خواهد شد. یک الگوریتم کنترل پیچیده مانند زمان مرده سازگار می تواند به کاهش این تلفات کمک کند. در دسترس بودن ویژگی های پیشرفته درایور ، مانند حالت ایده آل دیود ، امکان کاهش تلفات زمان مرگ بیش از 67٪ در مقایسه با هر دو پیاده سازی SiC و گسسته GaN را بدون نیاز به نرم افزار پیچیده یا کنترل سخت افزار امکان پذیر می کند.

   شکل زیر تجزیه جزئی از دست دادن بین "dualboost" ، یک قطب توتم با SiC و یک قطب توتم با GaN را ارائه می دهد. GaN کمترین تلفات و بالاترین بازده را در این کاربرد ارائه می دهد. این مزایا نه تنها طراحی مدار را قادر می سازد تا چگالی توان بالا را درک کنند ، بلکه به طور قابل توجهی هزینه و اندازه اجزای خنک کننده مانند هیت سینک و فن را نیز کاهش می دهند.

   نتیجه گیری

   اختراع ترانزیستورهای MOSFET انقلابی در دنیای الکترونیک قدرت ایجاد کرد و مهندسان را قادر به انجام کارهایی کرد که پیش از این هرگز ممکن نبود. سالها بعد ، تجاری شدن دستگاههای GaN و SiC با پهنای باند یک بار دیگر غیرممکن را به واقعیت تبدیل کرد. SiC و GaN نیازهای مختلف ولتاژ ، نیرو و برنامه را تأمین می کنند ، اما در برخی تجهیزات نهایی همپوشانی دارند. دستگاه های SiC سطح ولتاژ حداکثر 1200 ولت با قابلیت حمل جریان بالا را ارائه می دهند. این امر آنها را برای کاربردهایی مانند اینورترهای کششی خودرو و لوکوموتیو ، مزارع خورشیدی با قدرت بالا و مبدل های شبکه سه فاز بزرگ مناسب می کند. از طرف دیگر ، GaN با FOM سوئیچینگ برتر ، تولید ذاتی و مزایای هزینه و توانایی تعویض در فرکانس های بسیار بالاتر ، دستگاه مورد علاقه بسیاری از طراحان در برنامه های "<10-kW" شده است. این محصول چه آداپتور USB Type-C باشد ، چه یکسوساز مخابراتی مولتی کیلووات ، یک درایو موتور رباتیک یکپارچه یا یک ماشین شارژر داخلی برقی ، طراحان سرانجام ابزاری دارند که به آنها امکان می دهد در هنگام طراحی مدار سبزتر ، سبکتر و با هزینه بیشتر بهترین انتخاب را داشته باشند- محصولات موثر