从石器时代到信息时代，人类对高效率的追求从未停止。如今，随着人工智能、电动汽车和可再生能源系统等前沿科技的蓬勃发展，电力电子设备面临的挑战与日俱增。开关损耗一直是影响电力电子设备性能的关键因素之一，也成了人们对高效率追求路上的拦路虎。
面对这一挑战，尽管电力电子工程师们早就掌握了理论上能够达到零损耗的ZVS软开关这一秘密武器，但在纷繁复杂的实际应用中，由于寄生参数、控制精度、热效应、材料特性等种种因素，仍会不可避免地产生损耗。
在前不久PowerUP Asia 2024论坛的在线研讨会中，Qorvo高级产品应用工程师Mike Zhu分享了Qorvo SiC FET在ZVS（零电压开关）软开关技术应用中的卓越表现。
ZVS也无法避免的损耗是怎么来的？
在传统的硬开关操作中，开关器件在高电压下导通，导致开关损耗显著，这不仅降低了效率，还产生了大量的热量。特别是在高频操作中，开关损耗会急剧增加，成为制约系统效率和性能的关键因素。为了解决这一问题，软开关技术，尤其是零电压开关技术，被开发出来，旨在实现开关元件在无电压或极低电压状态下导通，从而极大程度地减少开关损耗，提高效率。
零电压开关技术依赖于开关器件（如MOSFET或IGBT）的特性，这些器件在导通时具有较低的电阻，而在关断时具有较高的电阻。在ZVS应用中，开关在电压为零或接近零时导通，这意味着开关的电流在导通时不会突然增加，从而减少了开关损耗。
图1 ZVS软开关波形及不同开关阶段半桥电路的主要能量损耗来源
图1展示了一个ZVS技术的典型示例。根据其波形图我们可以看出，尽管ZVS避免了开通损耗，但仍然存在死区时间，这一阶段会带来死区传导损耗。之后栅极导通，电流得以流过器件，ZVS应用中的主要损耗就发生在这里，这一部分就是开通损耗。当器件需要关断时，ZVS应用的关断方式依旧是硬开关式，关断损耗也就因此产生了。
在零电压开关应用中，功率器件的选择和设计需要特别考虑到几个关键性能指标，以确保系统在效率、热管理以及整体性能上达到最优。Mike 将其总结为以下几点：
1、低开通损耗：在ZVS应用中，器件的开通损耗是首要关注的损耗问题，尤其是在第一或第三象限操作时。这要求器件在开通时能够迅速且高效地转移电流，同时最小化电压和电流的重叠，从而减少能量损耗。
2、低关断损耗：尽管ZVS技术旨在降低开通损耗，但关断过程中的硬开关损耗依然存在，是第二大损耗来源。因此，器件在关断时应具备快速的电压转换能力和低损耗特性，以减少能量在关断过程中的消耗。
3、低栅极电荷（Qg）：ZVS应用由于消除了关断损耗，可以支持更高的开关频率。较低的栅极电荷意味着在高开关频率下，栅极驱动损耗更小，特别是在轻负载条件下，这有利于提高效率和系统稳定性。
4、低时间相关输出电容（Coss）：输出电容影响电压降至零的速度，进而影响死区时间。较低的输出电容可以缩短死区时间，提高占空比，从而向负载输送更高功率，同时有助于实现ZVS条件，减少开关损耗。
5、低热阻：功率器件的热阻决定了其在高功率密度应用中散热的效率。低热阻可以有效降低器件的结温，提高器件的热稳定性和可靠性，从而延长产品的使用寿命。
SiC FET的革新技术这样实现TVS效率提升
Qorvo SiC FET，作为ZVS技术的革新者，凭借其独特的设计和材料科学的进步，为电力电子行业带来了前所未有的变革。
图2. SiC MOSFET与用于共源共栅电路SiC JFET的截面比较
与平面SiC MOSFET对比，Qorvo SiC FET采用了共源共栅结构，其核心在于使用了沟槽JFET。这一设计消除了平面SiC MOSFET中存在的沟道电阻，取而代之的是一个低压硅MOSFET的沟道电阻。由于硅材料的导电性能优于SiC，且工作在较低的电压下，因此其导通电阻显著减小，仅占共源共栅器件总电阻的5%-10%。这一创新设计大幅度降低了器件的导通电阻，使得Qorvo SiC FET在单位面积上的导通电阻比最接近的SiC MOSFET结构低两倍以上。
图3. Qorvo SiC FET与其他厂商的开关器件导通电阻对比
此外，Qorvo SiC FET还通过其独特的结构设计，进一步优化了开关性能。平面SiC MOSFET在第三象限导通时，体二极管压降较高，例如，在零偏置情况下传导30A电流时，压降约为4.8V。而在Qorvo SiC FET中，由于其共源共栅结构，高压SiC JFET在第三象限导通时始终处于同步导通模式。这使得在栅极偏置为0V且第三象限电流为30A时，Qorvo SiC FET的体二极管压降仅为2.5V。得益于其低沟道电阻和低体二极管压降，Qorvo SiC FET还提供了非常低的时间相关输出电容（Coss），这使得开关速度大大加快，并有效地缩短了所需的死区时间。
针对ZVS应用中的另一大损耗来源——开关损耗。Mike将Qorvo的U1B半桥模块与其他厂商的SiC MOSFET进行了对比，结果显示在100A电流条件下，Qorvo的器件在关断时的开关损耗比其他厂商的器件低74%。这种性能优势主要归因于Qorvo器件的更快的dV/dt，即电压变化率。
快速的dV/dt可以减少电流和电压的重叠，进而降低关断损耗。当使用缓冲器控制电压尖峰和振铃时，这种效果尤为明显。缓冲器可以帮助限制电压的上升速度，同时允许更小的栅极电阻，这有利于降低开关损耗。在电动汽车充电站等实际应用中，使用Qorvo器件可以实现更高的效率，更低的结温，以及可能更高的开关频率，从而减小系统尺寸和降低成本。
更小的芯片尺寸带来诸多优点的同时，也增加了热阻。在高功率密度的应用中，有效的散热设计至关重要。Qorvo通过采用银烧结芯片贴装技术，显著提升了其SiC FET的热性能。银烧结技术的导热率是传统焊接技术的六倍，这意味着热量能够更高效地从芯片表面转移到散热器，从而降低了器件的运行温度，延长了器件的使用寿命，并提升了整体系统的可靠性和效率。
结语
Qorvo SiC FET的创新技术不仅在零电压开关（ZVS）应用中展现了卓越的性能，还为电力电子行业带来了显著的效率提升和成本降低。通过优化设计和材料科学的进步，Qorvo SiC FET在高频、高压操作中表现出色，满足了现代电力电子设备对高效率和高功率密度的需求。无论是在电动汽车、可再生能源系统，还是在工业电机驱动和数据中心电源等领域，Qorvo SiC FET都为实现更紧凑、更可靠的系统设计提供了无限可能。随着电气化和智能化的不断推进，Qorvo将继续引领技术创新，助力全球向更可持续的未来迈进。
