在設(shè)計電力電子設(shè)備時，我們需要評估所有業(yè)務(wù)需求和技術(shù)要求，以優(yōu)化設(shè)計周期時間，從而以更低的成本實現(xiàn)更高性能的系統(tǒng)。這是DiscoverEE及其創(chuàng)始人 Shishir Rai 的目標，他在PCIM期間談到了當今市場上推廣的所有關(guān)鍵氮化鎵、碳化硅、硅 MOSFET 和 IGBT 功率器件的統(tǒng)一視圖，以及它們的性能與成本分析。

在本文中，電路工作被認為是在 400 V、15 A 和 0.5 的占空比下以 10、50 和 100 kHz 的開關(guān)頻率提供 3 kW 的功率。本研究考慮了來自超過 35 個制造商的 25,000 多個功率器件，每個器件的功率損耗是根據(jù)它們的數(shù)據(jù)表規(guī)格計算得出的。總器件功率損耗目標小于 40 W，計算時考慮了傳導(dǎo)損耗、開關(guān)損耗和二極管反向恢復(fù)損耗，因為它們是器件功率損耗的主要貢獻者。它們是通過圖 1 中所示的方程估計的。

圖 1：電路條件和功率損耗要求

為使分析易于理解，作者假設(shè)快速開關(guān)外部二極管與器件并聯(lián)使用，Q RR為 100 nC。本研究忽略了所有其他功率損耗來源。

功率損耗分析

結(jié)果在 y 軸上繪制了計算出的功率損耗，在 x 軸上繪制了相應(yīng)的 VDS (on) /VCE (on)。深藍色圓圈代表硅 MOSFET 的功率損耗，淺藍色圓圈代表 IGBT 的功率損耗，綠色方塊代表 GaN，紅色三角形代表 SiC。圖 2 顯示了在 10 kHz 操作下的計算結(jié)果。

圖 2：總功率損耗與 VDS (on) /VCE (on) – 10 kHz

在 10kHz 開關(guān)頻率下，開關(guān)損耗很低，預(yù)計傳導(dǎo)損耗是功率損耗的主要來源。對于 IGBT，600-V、1.8-VV CE(sat)器件的最低功率損耗峰值為 15.7 W。為了降低功率損耗，MOSFET 從 600V、40mΩ 器件獲得了 8.1W。GaN 和 SiC 可以從 650-V、18-mΩ 器件和 700-V、19-mΩ 器件達到約 5W，如圖 2 所示。GaN 以 21.8 美元的價格實現(xiàn)了 5W 的最低功率損耗，或 IGBT 成本的 12 倍（本研究中考慮的所有價格都是一個單位的最低經(jīng)銷商價格）。?

“在 10 kHz 時，使用 IGBT，功率損耗只能降低到一定程度，除此之外，還需要 FET 器件，”Rai 說。“MOSFET 提供了很好的價值，但 GaN 和 SiC 器件推動了性能范圍，而 GaN 器件實現(xiàn)了最低的損耗，但成本卻要高得多。”

圖 3：總功率損耗與 VDS (on) /VCE (on) ) – 50 kHz

在圖 3 中，顯示了 50 kHz 的結(jié)果。GaN 可以以 19.5 美元的價格從 650V、41mΩ 器件實現(xiàn) 10.4W 的最低功率損耗。此外，在此分析中，IGBT 是最經(jīng)濟的選擇，即使在 50 kHz 時，GaN 器件的功率損耗也最低，但價格昂貴。

Rai 指出，在 50 kHz 時，開關(guān)損耗大幅增加。IGBT 是最經(jīng)濟的選擇，但具有高損耗。GaN 器件的性能最低，但成本也最高。與 GaN 和硅 MOSFET 相比，碳化硅器件實現(xiàn)了高性能并提供了良好的價值。

圖 4：總功率損耗與 VDS (on) /VCE (on) – 100 kHz

在圖 4 中，顯示了 100 kHz 的結(jié)果。對于 IGBT，從 600-V、2.1-V VCE (sat)器件實現(xiàn)的最低功率損耗為 28.8 W。GaN FET 實現(xiàn)的最低功率損耗為 13.7 W，來自價格為 11 美元的 650-V、90-mΩ 器件，或者是類似功率損耗的 IGBT 成本的 6 倍。

在 100 kHz 運行時，IGBT 仍然是最經(jīng)濟的選擇，但具有高損耗。GaN 器件以極低的價格實現(xiàn)最低的功率損耗，并為高頻操作提供了極具吸引力的價值。

圖 5：最低功耗結(jié)果匯總

在圖 5 中，顯示了我們觀察到的硅 IGBT、MOSFET、SiC 和 GaN 的最低功率損耗結(jié)果匯總。

與 GaN 相比，碳化硅器件的性價比優(yōu)勢減弱，因為開關(guān)頻率增加到 100 kHz 及以上。研究表明，器件功率損耗隨開關(guān)頻率顯著增加，必須有令人信服的理由將系統(tǒng)切換到更高的工作頻率。值得注意的是，IGBT 器件在 10 kHz 開關(guān)時的功率損耗與最佳 GaN 器件在 100 kHz 開關(guān)時的功率損耗相同，但 IGBT 的成本不到 GaN 器件的五分之一。

隨著不同材料和設(shè)備類型的性價比趨勢不斷發(fā)展，硬件工程師需要一個標準化的功耗評估工具來考慮整個市場的所有類型的設(shè)備，以便做出最佳決策。

審核編輯 黃昊宇