近年來(lái)，1200V和1700V的碳化硅(SiC)MOSFET已成為當(dāng)前使用IGBT的電力轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)師的真正替代方案。到目前為止，大多數(shù)SiC MOSFET的設(shè)計(jì)成功主要發(fā)生在低功率到20kW范圍內(nèi)的電力轉(zhuǎn)換器中，這些通常是全新設(shè)計(jì)，這一趨勢(shì)主要是由于提高光伏逆變器和其他工業(yè)電源應(yīng)用的效率的需求。

設(shè)計(jì)師們現(xiàn)在正在使用市面上可用的高功率全SiC電力模塊和驅(qū)動(dòng)器(見圖1)，以升級(jí)現(xiàn)有的Si-IGBT系統(tǒng)，以及新設(shè)計(jì)，特別針對(duì)這些新SiC產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)更小、散熱更好和總體性能更優(yōu)的電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。

Si IGBT組件及其轉(zhuǎn)換為SiC

SiC在電力器件上的材料優(yōu)勢(shì)已得到充分證明，無(wú)需進(jìn)一步討論。因此，我們的重點(diǎn)將放在全SiC模塊在大型電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的應(yīng)用上。我們選擇了一種基于62mm、400A、1.2kV模塊的商業(yè)現(xiàn)貨Si-IGBT組件，包括直流鏈接電容器、強(qiáng)制風(fēng)冷散熱器和風(fēng)扇，以及帶有保護(hù)邏輯和傳感器的門驅(qū)動(dòng)器，進(jìn)行了SiC轉(zhuǎn)換并測(cè)試以確定性能提升。

圖2描述了IGBT組件，我們將其稱為IGBT堆(轉(zhuǎn)換前)或SiC堆(轉(zhuǎn)換后)，其關(guān)鍵性能規(guī)格如圖2所示，更多細(xì)節(jié)請(qǐng)參見制造商的數(shù)據(jù)表[3]。所選的200A IGBT堆在3kHz的開關(guān)頻率(Fsw)下額定輸出功率為140kW(200A rms)，是該系列產(chǎn)品中最小的，能夠很好地代表我們?cè)谏虡I(yè)中央光伏逆變器或電機(jī)驅(qū)動(dòng)中可能找到的通用商業(yè)模塊化電力子系統(tǒng)。

將IGBT堆轉(zhuǎn)換為使用SiC器件的過(guò)程非常簡(jiǎn)單，因?yàn)楝F(xiàn)有的全SiC電力模塊具有相同的外形尺寸，并且兼容的門驅(qū)動(dòng)器具備我們?cè)诘湫虸GBT模塊門驅(qū)動(dòng)器中看到的所有功能。圖3總結(jié)了這些變化。額外添加的直流鏈接電容器僅用于在更高輸出電流下進(jìn)行測(cè)試。三個(gè)1200V、400A的IGBT模塊分別被1200V、300A的全SiC模塊取代，并且6通道的門驅(qū)動(dòng)器板被設(shè)計(jì)用于SiC模塊的三個(gè)2通道門驅(qū)動(dòng)器板替代。對(duì)SiC堆的少數(shù)機(jī)械改動(dòng)之一是將門驅(qū)動(dòng)器的位置從距離功率模塊約8英寸的原始位置重新定位到直接安裝在SiC模塊上。這一修改是由SiC更高的開關(guān)速度驅(qū)動(dòng)的，這要求我們盡可能減少由于布局引起的寄生電感和電容的影響。

1200V、300A的SiC MOSFET模塊內(nèi)置了用于自由輪回的SiC肖特基二極管，相比于被替代的400A IGBT模塊，有五個(gè)顯著的性能優(yōu)勢(shì)：

1、更低的開關(guān)損耗；

2、更低的導(dǎo)通損耗；

3、幾乎沒有二極管開關(guān)損耗；

4、更高的擊穿電壓裕度；

5、對(duì)宇宙輻射引起的故障或單事件燒毀(SEB)的免疫力。

大家普遍知道，SiC MOSFET的開關(guān)損耗較低，圖4a中比較了帶有快速恢復(fù)二極管(FRD)的Si-IGBT和帶有SiC肖特基二極管的同等額定SiC MOSFET在半橋電路的并聯(lián)位置的表現(xiàn)。

注意，如圖4b所示，SiC肖特基二極管幾乎沒有反向恢復(fù)電荷，并在25°C到150°C的溫度范圍內(nèi)保持恒定，這有助于降低換流MOSFET的Eon和顯著降低二極管的開關(guān)損耗。然而，較少人知道的是，SiC MOSFET的總開關(guān)損耗(ET)，即開通和關(guān)斷損耗之和，實(shí)際上在較高結(jié)溫下保持不變或減少(在某些情況下降低10%至25%)，但Si-IGBT則相反。因此，在可用的工作溫度下，Si-IGBT的ET與SiC MOSFET的ET之間的差異比室溫下的值要大。

為了更好地理解導(dǎo)通損耗，我們考慮一個(gè)額定為50A的IGBT與不同電流額定的SiC MOSFET的正向特性。如圖5所示，一個(gè)等效的50A SiC MOSFET的導(dǎo)通損耗約為一半。此外，不必用50A SiC器件替換50A IGBT以獲得相同性能。40A的SiC MOSFET與50A的Si-IGBT在IGBT的額定電流下具有相同的導(dǎo)通損耗。因此，可以假設(shè)這兩種器件的導(dǎo)通損耗相同。

然而，重要的是要注意，IGBT的額定電流是設(shè)備在給定外殼溫度下的直流電流額定值，并不包括設(shè)備的開關(guān)損耗。如果50A的IGBT正在開關(guān)，則必須將其降額到較低的電流，以避免超過(guò)器件的最大功率損耗值(PDmax)。從圖5中線條的形狀可以看出，在50A以下的任何值，40A的SiC MOSFET在導(dǎo)通損耗方面具有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)镸OSFET的純歐姆損耗特性。鑒于兩個(gè)器件之間開關(guān)損耗的顯著差異，SiC器件在較高開關(guān)頻率下的降額電流將顯著低于Si-IGBT的等效值。

在討論了SiC模塊的較低開關(guān)、導(dǎo)通和二極管開關(guān)損耗后，我們現(xiàn)在可以討論它們對(duì)高能粒子引起的故障或SEB的免疫性，因?yàn)镾iC MOSFET預(yù)計(jì)對(duì)這種故障模式的敏感性顯著較低。有三個(gè)因素在這種故障模式中具有重要貢獻(xiàn)：器件材料類型、器件面積和電壓應(yīng)力[4]。

由于SiC的帶隙約為Si的3倍，且表面積僅為同樣額定Si器件的33%，并且擊穿電壓裕度是最大器件電壓額定值的1.33倍，因此很容易理解，與Si-IGBT相比，SiC MOSFET如何能夠最小化這三種主要因素對(duì)SEB的影響。

性能提升

在將IGBT堆轉(zhuǎn)換為SiC堆后，我們期望功率損耗顯著降低，這樣可以在更高的開關(guān)頻率下實(shí)現(xiàn)相同的輸出功率和效率。這可以減少整體系統(tǒng)的體積和重量，或者在相同的開關(guān)頻率下產(chǎn)生更多的功率，從而提高功率密度和每瓦特的成本(Watts/$)，或者簡(jiǎn)單地使系統(tǒng)在相同的工作條件下以更低的結(jié)溫和更高的效率運(yùn)行，從而有效提高可靠性。圖6顯示了性能改進(jìn)的模擬結(jié)果，后續(xù)通過(guò)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證，展示了IGBT堆的輸出電流與開關(guān)頻率之間的關(guān)系。

為了確認(rèn)預(yù)期的性能提升，SiC堆作為三相逆變器進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)量結(jié)果與IGBT堆的發(fā)布數(shù)據(jù)表值進(jìn)行了對(duì)比。測(cè)試是在700VDC電源上進(jìn)行的，采用400m3/Hr風(fēng)扇強(qiáng)制冷卻，在環(huán)境溫度(TAMB)為25°C下進(jìn)行。輸出電壓設(shè)定為480Vac rms(相對(duì)相)50Hz，并連接到一個(gè)可以從2.8kW調(diào)節(jié)到263kW的平衡三相電阻負(fù)載箱。初步測(cè)試在Fsw=10kHz下進(jìn)行，然后在保持所有其他操作參數(shù)不變的情況下，在Fsw=50kHz下重復(fù)測(cè)試。結(jié)果總結(jié)在圖7中，展示了SiC堆所取得的明顯性能優(yōu)勢(shì)。

圖7

如果考慮整個(gè)IGBT堆系列，轉(zhuǎn)換后的SiC版本將在產(chǎn)品陣容中處于何種位置?答案取決于應(yīng)用的操作開關(guān)頻率。如圖8所示，我們展示了產(chǎn)品的額定輸出電流與Fsw的關(guān)系。正如預(yù)期，輸出電流與Fsw之間呈現(xiàn)反比關(guān)系。然而，由于IGBT堆的輸出電流降額較為顯著，我們可以看到在Fsw=10kHz時(shí)，750A額定的IGBT堆(其體積是SiC堆的三倍)具有相同的輸出電流能力。此外，圖8中以藍(lán)色突出顯示的區(qū)域展示了通過(guò)Si-IGBT無(wú)法以經(jīng)濟(jì)方式實(shí)現(xiàn)的新能力。

總結(jié)

高功率轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)師始終需要在性能、體積、成本和工作開關(guān)頻率(Fsw)之間找到平衡。更高的Fsw可以導(dǎo)致更小、更輕的轉(zhuǎn)換器，但會(huì)在效率上付出代價(jià)。通常，對(duì)于高功率系統(tǒng)(>500kW)，這種平衡讓最佳Fsw約為3kHz。

全SiC電力模塊現(xiàn)在允許設(shè)計(jì)工程師在不顯著影響性能的情況下設(shè)計(jì)更高的Fsw，這使得高頻電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)愈加明顯，從而可能實(shí)現(xiàn)更小的體積和重量，更快的響應(yīng)時(shí)間，以及簡(jiǎn)化和更可靠的電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。