直到最近，功率模塊市場(chǎng)仍被硅（Si）絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）把持。需求的轉(zhuǎn)移和對(duì)更高性能的關(guān)注，使得這些傳統(tǒng)模塊不太適合大功率應(yīng)用，這就帶來(lái)了 SiC 基功率器件的應(yīng)運(yùn)而生。新型 SiC 基器件比之 Si 基器件，能夠在更小的空間內(nèi)提供更高的電壓和電流性能（功率），從而催生了具有最小寄生效應(yīng)和可高溫工作的高功率密度模塊。

 

本文旨在對(duì)電源工程師和專(zhuān)業(yè)人員進(jìn)行培訓(xùn)，幫助了解在現(xiàn)代電力電子應(yīng)用中，電源模塊采用最新 SiC 器件與采用傳統(tǒng) Si IGBT 的比較優(yōu)勢(shì)。本文概述了這兩種技術(shù)的比較，并演示了三相逆變器參考設(shè)計(jì)應(yīng)用中最新的全 SiC 功率模塊的性能。

 

圖 1：

電力電子行業(yè)正經(jīng)歷著傳統(tǒng)領(lǐng)域（交通運(yùn)輸和電源）以及新興應(yīng)用（例如電動(dòng)汽車(chē)、可再生能源和數(shù)據(jù)中心）的快速增長(zhǎng)。

 

功率模塊電子產(chǎn)品的趨勢(shì)

 

由于功率模塊易于排布并且通常與符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的總線連接、控制/傳感互連以及市售的散熱器相兼容，因此在功率電子行業(yè)中，功率模塊正越來(lái)越受歡迎。使用模塊可使電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)師專(zhuān)注于將電源系統(tǒng)發(fā)揮最大性能，而不必花費(fèi)寶貴的工程時(shí)間來(lái)開(kāi)發(fā)定制外殼、散熱器、總線互連以及集成/調(diào)整感測(cè)和控制電子。

 

隨著越來(lái)越多的應(yīng)用以驚人的速度增長(zhǎng)，更快速、更高效地開(kāi)發(fā)電力系統(tǒng)的需求，比以往任何時(shí)候都更迫切（參見(jiàn)圖 2）。對(duì)可再生能源系統(tǒng)、電動(dòng)汽車(chē)、火車(chē)/軌道交通、更高效電網(wǎng)系統(tǒng)（包括電能存儲(chǔ)）以及使數(shù)據(jù)中心和關(guān)鍵電氣系統(tǒng)保持無(wú)縫運(yùn)行的不間斷電源（UPS）的需求，每年都在以?xún)晌粩?shù)增長(zhǎng)。

 

圖 2：

隨著使用 SiC 材料和功率模塊市場(chǎng)的持續(xù)增長(zhǎng)，對(duì) SiC 器件的需求也一直在增加。

 

新型 SiC 器件如何超越傳統(tǒng) Si IGBT

 

由于新應(yīng)用對(duì)電源模塊的需求越來(lái)越大，加之對(duì)已有應(yīng)用的升級(jí)改造，所以對(duì)于增強(qiáng)電源模塊的性能和技術(shù)能力存在著創(chuàng)新的機(jī)會(huì)。傳統(tǒng)的電源模塊由 Si IGBT 組成，已經(jīng)存在了數(shù)十年。它們具有特定的封裝形態(tài)，且這些 Si IGBT 功率模塊的構(gòu)造特征主導(dǎo)了人們對(duì)功率密度和構(gòu)造限制的普遍預(yù)期。

 

但是，隨著針對(duì) SiC 進(jìn)行了優(yōu)化的新型電源模塊的出現(xiàn)，這些標(biāo)準(zhǔn)和看法需要進(jìn)行調(diào)整。最新的SiC 晶體管是采用 SiC 半導(dǎo)體開(kāi)發(fā)的，其帶隙電壓幾乎是 Si 的 3 倍，臨界場(chǎng)達(dá) 10 倍以上、熱導(dǎo)率超過(guò) 5 倍，且整個(gè)功率器件的品質(zhì)因數(shù)遠(yuǎn)超 Si 的能力（見(jiàn)表 1）。

 

表 1：Si 和 SiC 半導(dǎo)體特性

 

與雙極結(jié)型晶體管相比，SiC 的優(yōu)勢(shì)加之與 MOSFET 型晶體管的使用相結(jié)合，使得新型全 SiC 功率器件能夠在比同類(lèi) Si IGBT 尺寸小的器件中，實(shí)現(xiàn)高得多的電壓和電流操作。而且，這些 SiC 器件能夠提供比 Si IGBT 低得多（>5 倍）的開(kāi)關(guān)損耗。因此，SiC 器件的開(kāi)關(guān)速度可以設(shè)置為超出（通常為 10-50 kHz）Si IGBT 極限開(kāi)關(guān)速度的幾倍。與 Si IGBT 相比，SiC 器件的導(dǎo)通損耗更低，在輕負(fù)載下也可以實(shí)現(xiàn)更高效率。

 

創(chuàng)新將 SiC 功率模塊推向商用市場(chǎng)

 

對(duì)于電源模塊，電源設(shè)備本身只是故事的一部分。組件和附屬電子電路的設(shè)計(jì)和集成功能也會(huì)極大地影響整個(gè)電源模塊的性能和功能。因此，需要進(jìn)行仔細(xì)的設(shè)計(jì)以?xún)?yōu)化功率器件的性能，包括使環(huán)路電感最小化、優(yōu)化高溫操作并考慮合適應(yīng)用的互連復(fù)雜性。

 

Wolfspeed 通過(guò)其最新的 XM3 全 SiC 電源模塊實(shí)現(xiàn)了所有這些功能，并集成了諸多特性，包括可減少電源模塊的占位面積、提供更高的功率密度、降低物料成本、并且同時(shí)提高性能等。新型XM3 SiC 模塊技術(shù)的許多特性類(lèi)似于高度復(fù)雜的小批量定制生產(chǎn)系統(tǒng)，但 XM3 模塊的設(shè)計(jì)目標(biāo)是以極具競(jìng)爭(zhēng)力的價(jià)格為大批量應(yīng)用提供此類(lèi)性能和特性。

 

圖 3：

Wolfspeed XM3 SiC 電源模塊緊湊、功率密度高、且極其穩(wěn)固耐用，使其非常適合各種大功率工業(yè)、軌道交通和汽車(chē)應(yīng)用。

 

全 SiC 功率模塊的巔峰之作

 

新型 XM3 電源模塊（CAB450M12XM3）采用最新一代 Wolfspeed SiC MOSFET 裸片技術(shù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，并且實(shí)現(xiàn)了傳導(dǎo)優(yōu)化。該新一代功率模塊具有高溫工作和低環(huán)路電感特性，其單位面積具有極高的功率密度，超過(guò)了 Si IGBT 和其它 SiC 模塊。這些模塊的阻斷電壓在 450 A 的額定電流下可達(dá)到1200 V 的峰值額定值。

 

XM3 主要特性：

 

● 具有高功率密度（32 kW/L）的 100 kW 至 300 kW 峰值功率水平

● 高溫（175°C）工作

● 低電感（6.7 nH）設(shè)計(jì)

● 大于 5 倍的更低開(kāi)關(guān)損耗，從而實(shí)現(xiàn)更高的開(kāi)關(guān)頻率（10-50 kHz 典型值）

● 傳導(dǎo)損耗低，無(wú)固有拐點(diǎn)電壓，可提高輕載效率

● 在低側(cè)開(kāi)關(guān)位置（靠近外部 NTC 引腳位置）集成了溫度傳感器

● 內(nèi)置電壓感測(cè)（De-Sat/去飽和）連接，易于集成驅(qū)動(dòng)器

● 偏置的中間端子布局允許簡(jiǎn)單和低電感的母線互連

● 高可靠性的氮化硅功率基板，增強(qiáng)功率循環(huán)能力，以滿(mǎn)足苛刻的市場(chǎng)需求

 

盡管 XM3 模塊具有出色的電氣特性，但在設(shè)計(jì)時(shí)也考慮了高密度集成。這些新型 SiC 模塊采用極為緊湊的 80 mm × 53 mm × 19 mm 模塊封裝構(gòu)建，使其工作功率密度大于 30 kW/L，與其它同類(lèi)額定功率模塊相比，其封裝尺寸減小了 60％。這一事實(shí)與優(yōu)化的母線互連策略（可降低系統(tǒng)級(jí)寄生電感）相結(jié)合，可使功率模塊效率超過(guò) 98％。

 

關(guān)鍵參考設(shè)計(jì) — 300 kW 三相逆變器

 

XM3 SiC 電源模塊的高功率密度和低環(huán)路電感可使許多應(yīng)用受益。以下是 Wolfspeed 300kW 三相逆變器參考設(shè)計(jì)的描述，該逆變器非常適合電機(jī)和牽引驅(qū)動(dòng)器、并網(wǎng)分布式發(fā)電和高效轉(zhuǎn)換器。

 

圖 4：

該 300 kW 三相逆變器展示了采用 Wolfspeed 新型 XM3 模塊平臺(tái)獲得的系統(tǒng)級(jí)功率密度和效率。該三相逆變器比之 Si 基設(shè)計(jì)，功率密度是其 2 倍以上，效率超過(guò) 98％。

 

遵循 XM3 電源模塊的設(shè)計(jì)理念，該三相逆變器設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)低電感、高載流量電路，從而降低了整個(gè)系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性。此外，重疊的平面母線結(jié)構(gòu)用于最大程度地減少額外電感的導(dǎo)入，并且用于減輕紋波的電容器也是低電感組件。這些因素使寄生電感最小，并允許在更高的效率水平下實(shí)現(xiàn)更快的開(kāi)關(guān)速度。

 

與其它設(shè)計(jì)特性一道,包括 Wolverine™的微變形液冷卻冷板，最終實(shí)現(xiàn)的逆變器尺寸為 279 mm ×291 mm × 155 mm、功率密度為 32.25 kW/L。該逆變器參考設(shè)計(jì)能提供 1.2 kV 的工作電壓,并達(dá)到250 kW 的功率，而體積比 Wolfspeed 之前逆變器參考設(shè)計(jì)要小許多。此外，在實(shí)際測(cè)試中，盡管在測(cè)試過(guò)程中使用了極小的柵極電阻，采用 XM3 SiC 模塊技術(shù)的三相逆變器設(shè)計(jì)仍表現(xiàn)出極低的開(kāi)關(guān)損耗、極小振鈴（見(jiàn)圖 3 和圖 4）。

 

圖 5：

關(guān)斷（左）和導(dǎo)通（右）時(shí)，下部開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)波形。

 

圖 6：

關(guān)斷（左）和導(dǎo)通（右）時(shí)，上部開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)波形。

 

SiC 模塊的使用案例和應(yīng)用

 

Wolfspeed 新型 XM3 SiC 電源模塊經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)適用于多種應(yīng)用，包括現(xiàn)代電機(jī)和牽引驅(qū)動(dòng)、不間斷電源（UPS）和電動(dòng)汽車(chē)（EV）充電機(jī)系統(tǒng)。此外，XM3 的緊湊型封裝和優(yōu)化的母線設(shè)計(jì)所實(shí)現(xiàn)的致密化，可使任何經(jīng)歷高磁場(chǎng)強(qiáng)度、需要大量輸入和/或輸出濾波器、功率水平介于 100 kW 和300 kW 之間的應(yīng)用受益。

 

此外，原先使用 Si IGBT 模塊、開(kāi)關(guān)速度被限制在幾千赫茲的系統(tǒng)，若借助全 SiC 模塊，則可將開(kāi)關(guān)速度提高幾倍。它們包括：數(shù)據(jù)中心電源、工廠自動(dòng)化系統(tǒng)以及其它具有較高系統(tǒng)級(jí)成本的場(chǎng)景，其中更高的效率和減少的模塊數(shù)量可節(jié)省運(yùn)營(yíng)和系統(tǒng)級(jí)成本。此外，SiC MOSFET 裸片的物理耐用性和工作溫度范圍超過(guò)了 Si IGBT 裸片，且這些新型電源模塊非常適合在極端環(huán)境和逐步電氣化的苛刻應(yīng)用（例如軌道交通、牽引和重型設(shè)備行業(yè)）中運(yùn)行。

 

結(jié)論

 

伴隨著電力電子行業(yè)的增長(zhǎng)以及新生市場(chǎng)力量的推動(dòng)下，對(duì)性能的要求已超出了 Si 基雙極電源模塊的技術(shù)極限。因此，Wolfspeed 已將其在 SiC 技術(shù)方面的卓越成就應(yīng)用在其最新且功率密度最高的大批量和市售功率模塊 — XM3 53 mm 全 SiC 功率模塊。這些新型 XM3 模塊具有尺寸緊湊、高溫運(yùn)行、快速開(kāi)關(guān)速度和低電感設(shè)計(jì)等優(yōu)勢(shì)，正逢其時(shí)地為新興的電機(jī)、轉(zhuǎn)換器、逆變器和電源應(yīng)用貢獻(xiàn)了體積小得多、效率更高的電源系統(tǒng)。

 

參考文獻(xiàn)

 

1. http://www.yole.fr/PowerElectrronics_IndustryOverview.aspx

2. High-Performance 300 kW 3-Phase SiC Inverter Based on Next Generation Modular SiC Power

Modules (IEEE)

3. Wolfspeed CAB450M12XM3 1200V/450A Silicon Carbide XM3 Half-Bridge Module

 

 

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