在太空探索中，社交隔绝往往是常态。同样，隔离一直是金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）半导体工作方式的一部分。
作者：Paul Golata，贸泽电子
 
商界大亨、工业设计师和工程师埃隆·马斯克的目标是在2026年将人类送上火星。马斯克的愿景是带领人类探索更多的太空。相比之下，电源系统设计者主要关心的是在电源系统设计的物理布局上节省空间。为了不与在遥远行星上寻找更多可居住空间的竞赛相混淆，我们将研究宽禁带材料组件和集成架构，这两种技术是设计师在希望节省空间时应该考虑的。让小型集成电源系统设计的竞赛开始吧。
 

MOSFET：一种关键的功率开关器件

MOSFET是电压控制器件。在MOSFET中，栅极（G）与漏极（D）和源极（S）端子电隔离。电隔离的高阻抗路径是由以金属氧化物的形式放置在半导体中的一层薄薄的绝缘材料形成的，这使得MOSFET具有非常高的输入阻抗。假设MOSFET的高输入阻抗接收到栅极的阈值电压。在这种情况下，就为信号和功率在先前隔离的电路之间流动提供了一条低阻抗路径。由于这些独特的特性，MOSFET普遍被用作电源开关。
 

宽禁带（WBG）半导体

利用宽禁带半导体材料，设计者可以抓住缩小尺寸的机会。与基于硅的组件相比，WBG器件允许更小的器件尺寸，开关频率更高、质量更低、损耗更低，从而提高了功率效率。WBG半导体在电力电子领域的其他优势包括：工作温度高、环境恶劣时的鲁棒性和高击穿电压。WBG在各种应用中节省了空间，包括工业功能，如电机驱动和电源，以及汽车和运输系统，包括混合动力和电动汽车（HEV/EV）、光伏逆变器、铁路和风力涡轮机。生产这些产品的供应商包括英飞凌科技、Wolfspeed/Cree、Qorvo、安森美半导体、STMicroelectronics、ROHM和GaN Systems等。.
 

碳化硅（SiC）

碳化硅（SiC）具有三电子伏特（eV）宽禁带和比硅（Si）高得多的热导率。非常适合高击穿、高功率应用，在高频工作的碳化硅基MOSFET可以应用于1200V的光伏逆变器、电池充电和储能应用。英飞凌科技的CoolSiC™超快开关系列就是一个很好的例子（图1）。
 

 
图1：英飞凌科技CoolSiC™ 1200V SiC沟道MOSFET以节省空间封装减少散热，支持更高开关频率。(资料来源：贸泽电子）
 
SiC基MOSFET器件参数，如RDS(on)随温度的变化比传统的硅（Si）小。SiC的热导率是硅的10倍（图2）。更高的热导率使半导体更容易散发产生的热量。由于碳化硅可以更有效地分配热量，因此它通常可以去掉风扇和散热器，有助于电源应用的小型设计。这些因素使设计师能够在计划更紧的裕量范围内工作，从而提供额外的性能。
 

图2：设计工程师面临着减少组件尺寸的持续任务(资料来源：贸泽电子）
 
 
SiC MOSFET可以采用互补器件，进一步利用WBG材料。SiC MOSFET栅极驱动器是驱动SiC MOSFET的合适产品。栅极驱动器有助于控制功率MOSFET的功率和开关特性。工程师努力确保电磁干扰（EMI）和电压振铃的影响不会干扰到保证可靠性能所需的规范要求。栅极驱动器通常提供广泛的典型输出电流选项。SiC栅极驱动器可能包含用于驱动SiC MOSFET的关键特性和参数。这些特性包括紧密的传播延迟匹配、精确的输入滤波器、宽输出侧电源范围、负栅极电压能力、有源米勒钳位、去饱和检测电路功能（DESAT）保护和扩展的共模瞬态抗扰度（CMTI）能力。
 

DC-DC转换器

与功率MOSFET一样，DC-DC转换器广泛应用于任何电源系统设计。DC-DC转换器是电子电源管理电路中的基本组成部分。它将一个直流（DC）电压转换为另一个DC电压，即更高（升压）或更低（降压）。制造小型DC-DC转换器是许多电子元件供应商的目标。
 

DC-DC降压稳压器

新引入的DC-DC降压稳压器的占位面积减少了近2倍，高度降低了三分之一，与以前版本相比，功率效率、瞬态性能和EMI都有了显著的改善。这种改进是通过开发新的器件架构来实现的，这种结构可以实现更小的尺寸和更高效率的DC-DC转换器设计。
降压稳压器通常使用内部功率MOSFET。为了以减少尺寸和简化降压稳压器，特别是低输出电流（<20A），许多器件提供了一个控制器和集成在一个封装內的FET。带有集成FET的控制器可能会降低效率，因为在广泛的应用中，这些FET的额定电压可能远远高于给定应用所需的额定电压，从而导致开关损耗增加。而且，对于特定的占空比，MOSFET的尺寸几乎肯定是次优的。这后一点可能是一个重大的妥协，特别是对于低占空比应用。
采用的封装技术可减小尺寸和压缩电源系统中每一个可能的毫欧寄生损耗，以提高效率。完整动力系统——控制加FET、输出电感和输入/输出滤波器的集成——主要受到仍然需要物理上较大的电感的阻碍。
 

新方法

一种新的方法解决了传统的降压稳压器设计问题。它允许开关频率保持在1MHz至2MHz范围内，同时减少所需电感量，并提高整体功率转换效率。该突破采用了一种两级结构，包括电荷泵、开关电容转换器和开关模式电源。其特殊电荷泵设计解决了传统电荷泵的基本问题，即效率低和EMI高。所使用的电流源实际上是一个降压级的电感。该电感与电流源近似，用于吸收开关中通常产生的所有电荷再分配损耗。由于这种电流源电感可以处于输出级，能量而不是损耗，可以作为有用的能量来循环利用。这种循环能量允许电荷泵开关的串联电阻（以及相关的寄生阻抗）尽可能小，因为在冲击电流不再是问题，并将电路这部分的电荷重新分配损耗降至最低。该电荷泵能实现97%～99%的功率效率。
电荷泵本身也是两相交错的，输入占空比几乎为100%。与占空比仅为10%的传统降压稳压器相比，对输入电流纹波和所需的输入滤波量产生了巨大的影响。在测试中，供应商测得的输入电流纹波至少比等效的单级降压电路低5倍。
这种两级降压电路是一种架构创新，可在非常成熟的互补金属氧化物半导体（CMOS）半导体工艺中使用标准现成的FET。由于电感器不再是物料清单（BOM）中的主要组件，功率转换从通常占系统电路面积的30%到40%缩减到一半，而不会影响效率。此外，由于电感器通常是系统中最高的组件之一，这种结构允许更薄的解决方案，提高封装密度，并使移动产品更薄。

 

结论

我们一起看了宽禁带材料组件和集成架构是如何成为电源设计人员在下一次设计中节省物理板空间时可能考虑的两种技术。您的使命是抢占先机，设计使用更少组件和占用更少电路板空间的创新的电源系统解决方案。
 
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