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在设计电力电子器件时，我们需要评估所有的业务需求和技术要求，以优化设计周期，从而以更低的成本实现更高性能的系统。这是DiscoverEE及其创始人Shishir Rai的目标，他在PCIM期间谈到了对目前市场上正在推广的所有关键的氮化镓、碳化硅和硅MOSFET及IGBT功率器件的统一看法，以及它们的性能与成本分析。
在这篇文章中，考虑了在400V、15A、占空比为0.5的条件下电路运行，在10、50和100kHz的开关频率下提供3千瓦的功率。本研究考虑了超过35家制造商的25,000个功率器件，每个器件的功率损耗是根据其数据表规格计算的。器件的总功率损失目标是小于40W，通过考虑传导损失、开关损失和二极管反向恢复损失来计算，因为这些是器件功率损失的主要因素。它们是通过图1所示的方程式来估计的。
图1：电路条件和功率损耗要求
为了使分析易于理解，作者假设一个快速开关的外部二极管与器件并联使用，其Qrr为100 nC。在本研究中，所有其他的功率损失来源都被忽略了。
功率损失的分析
结果在Y轴上绘制了计算的功率损耗，在X轴上绘制了各自的VDS(on)/VCE(on)。深蓝色圆圈代表硅MOSFET的功率损失，浅蓝色圆圈代表IGBT的功率损失，绿色方块代表GaN，红色三角形代表SiC。图2显示了在10千赫兹工作时的计算结果。
图2：总功率损失与VDS(on)/VCE(on)的关系 – 10 kHz
在10-kHz的开关频率下，开关损耗很低，预计传导损耗将成为功率损耗的主要因素。对于IGBT，最低的功率损失峰值是来自600-V、1.8-V VCE(sat)器件的15.7 W。为了降低功率损失，MOSFET从一个600-V、40-mΩ的器件中实现了8.1 W。如图2所示，GaN和SiC可以从一个650-V、18-mΩ的器件和一个700-V、19-mΩ的器件中达到约5 W。GaN以21.8美元的价格实现了5W的最低功率损耗，或12倍于IGBT的成本（本研究中考虑的所有价格都是一个单元的最低分销商价格）。
"在10千赫兹，用IGBT，功率损失只能降低到一定程度，超过这个程度就需要FET器件，"Rai说。"MOSFET提供了很好的价值，但GaN和SiC器件推动了性能的发展，GaN器件实现了最低的损耗，但成本明显更高。"
图3：总功率损耗与VDS(on)/VCE(on)的关系 – 50 kHz
在图3中，报告了50kHz的结果。氮化镓可以从650-V、41-mΩ的器件中实现10.4W的最低功率损耗，价格为19.5美元。另外，在这个分析中，IGBT是最经济的选择，即使是在50kHz，GaN器件也能实现最低的功率损耗，但它们的价格很高。
Rai指出，在50kHz时，开关损耗大幅增加。IGBT是最经济的选择，但有高损耗。GaN器件的性能最低，但成本也最高。与GaN和硅MOSFET相比，SiC器件实现了高性能，并提供了良好的价值。
图4：总功率损失与VDS(on)/VCE(on)的关系 – 100 kHz
在图4中，显示了100kHz的结果。对于IGBT，从一个600-V、2.1-V的VCE(sat)器件实现的最低功率损失是28.8W。氮化镓场效应晶体管实现的最低功率损耗是13.7W，来自一个650-V、90-mΩ的器件，价格为11美元，或者是类似功率损耗的IGBT成本的6倍。
在100-kHz的工作频率下，IGBT仍然是最经济的选择，但其损耗很高。氮化镓器件以明显较低的价格实现了最低的功率损耗，为高频运行提供了令人信服的价值。
图5：最低功率损失的结果总结
在图5中，显示了我们观察到的硅IGBT、MOSFET、SiC和GaN的最低功率损耗结果的总结。
如果与GaN相比，当开关频率增加到100kHz及以上时，SiC器件的性价比优势就会降低。研究表明，器件的功率损失随着开关频率的提高而明显增加，因此必须有令人信服的理由将系统切换到更高的工作频率。值得注意的是，在10kHz下切换的IGBT器件的功率损失与在100kHz下切换的最佳GaN器件的功率损失相同，但IGBT的成本还不到GaN器件的五分之一。
由于不同材料和类型的器件的价格-性能趋势在不断变化，一个考虑到整个市场所有类型器件的标准化功率损耗评估工具对于硬件工程师做出最佳决定是必要的。
作者： Maurizio Di Paolo Emilio
来源：powerelectronicsnews
