砷化镓功率二极管是宽带隙
半导体器件，其性能仅为碳化硅（SiC）的70%左右。本文对10kW LLC转换器中GaAs、SiC和超快硅二极管的性能进行基准测试，该转换器也常用于高效电动汽车充电。
LLC 转换器和二极管类型
LLC是一种常用拓扑，可为初级侧桥晶体管提供零电压开关，如图1所示。它允许使用高开关频率，同时保持出色的效率水平，因为初级MOSFET中的开关损耗最小。在次级侧，输出整流器中会产生功率损耗，这种损耗的性质取决于所用二极管的静态和动态特性。二极管的动态行为（Qrr和体电容）也会影响转换器行为的其他方面。
对于本文中的工作，类似额定值的SiC，GaAs和超快硅二极管被基准测试为10kW LLC的输出整流器（D1-D4）。
砷化镓
这是双极性技术，因此具有小而有限的Qrr.由于正向导通压降和Qrr在转换器操作中的相互作用，将产生损耗。请注意，寄生体电容明显低于SiC。Qrr和正向压降与温度的关系很小。
超快硅
这也是双极技术，但Qrr明显高于GaAs。随着温度的升高，正向传导压降减小，Qrr显著增加。对于任何合理的开关频率，二极管动态行为会导致较高温度下的性能下降。
10kW LLC 原型
设计了一个 10kW LLC 原型，以便对三种二极管类型进行实际基准测试。该系统设计为在 800Vdc 输入、100kHz 至 200kHz 开关频率下工作，并产生 400V 至 600V 的输出电压，最大输出功率为 10kW。系统设计参数为：
波形基准测试
为了帮助理解LLC中二极管行为在实践中的差异，转换器中的变压器初级电流和次级电流被捕获，输入电压为800Vdc，开关频率为100kHz，输出负载为575V/17A/10kW。
图2显示，基于GaAs和SiC的电流波形非常相似，是低于谐振操作的典型特征。在超快硅的情况下，二极管Qrr对测量电流的影响是显而易见的，次级电流在谐振脉冲末端改变极性，然后稳定回零。在此Qrr期间，初级谐振
电路中的电流降至GaAs和SiC的正常水平以下，这意味着输出整流器由于Qrr而产生的额外功耗。在超快硅的情况下，输出整流器在捕获波形后不久就失效了，这很可能是额外的二极管耗散加热器件的结果，导致Qrr增加，从而导致更大的加热和热失控。
图2.初级（蓝色）和次级（红色）电流，800V 输入，100kHz，573V/17A/10kW 输出
系统功率损耗（仅限砷化镓和碳化硅）
基于10kW SiC和GaAs的LLC原型的转换效率非常相似，峰值约为98%，这使得基准测试成为一项挑战。在这些情况下比较性能的一种有用方法是将总功耗绘制为比较指标。图3显示了10kW LLC中测得的总损耗与直流输出工作点的函数关系，所有损耗均具有800Vdc输入和100-200kHz开关频率。图中的绿线表示共振上方和下方之间的工作边界。值得注意的是，边界曲线直接映射到功率损耗等值线中的拐点。这表明，无论使用何种二极管类型，高于谐振的操作都会增加转换器的功率损耗。
从功率损耗图中可以看出，GaAs和SiC的性能非常相似。这两种技术都支持高于谐振和低于谐振以及类似输出工作范围的高效操作。在非常轻的负载下，GaAs的总功率损耗较低，可能是因为它的体电容低于SiC。在较高的功率水平下，GaAs部分与Qrr相关的小损耗导致SiC技术的整体损耗较低。
图4列出了三个关键工作点的功率损耗差异，显示了GaAs性能与SiC的性能接近程度。当在578V输出下驱动10kW输出功率时，SiC和GaAs解决方案之间的系统功率损耗差异仅为13W。
请注意，超快硅二极管在基准测试期间迅速失效，据信它们由于Qrr也强烈依赖于温度而遭受了过度加热。迄今为止的测量和观察表明，超快硅不是高频、高功率谐振应用的竞争者。我们在 2021 年 4 月的 Bodo 文章中得出了类似的结论，即超快硅部件在以 100kHz 运行的 10kW PSFB 中运行。
图3.10kW LLC.碳化硅解决方案（左）、砷化镓解决方案（右）的功率损耗分布
测量精度
在10kW LLC应用中对二极管性能进行基准测试需要精确测量系统输入和输出功率。虽然使用了准确的测试设备来执行本报告中详述的测量，但测量将包含不确定性，这可能会使微小差异的比较和从中得出的结论不准确。对于本文介绍的工作，还监测了组件的工作温度，并且观察到的温度趋势与测量的不同功率水平密切相关。
图4.关键操作点的性能比较。
结论
功率二极管特性对转换器系统级性能的影响取决于许多参数，包括拓扑、工作频率和温度。对于高频谐振转换器，二极管动态特性会影响损耗预算的重要组成部分。本文描述的实验工作表明，新型GaAs功率二极管提供的非常低且稳定的Qrr允许LLC系统性能水平非常接近SiC。重要的是，这些砷化镓二极管的成本仅为同等SiC器件的70%左右，这为设计人员提供了一个理想的机会，可以在小幅性能降低和显著成本节约之间进行权衡。
