直到最近，功率模塊市場仍被硅（Si）絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）把持。需求的轉移和對更高性能的關注，使得這些傳統(tǒng)模塊不太適合大功率應用，這就帶來了 SiC 基功率器件的應運而生。新型 SiC 基器件比之 Si 基器件，能夠在更小的空間內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和可高溫工作的高功率密度模塊。

 

本文旨在對電源工程師和專業(yè)人員進行培訓，幫助了解在現(xiàn)代電力電子應用中，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。本文概述了這兩種技術的比較，并演示了三相逆變器參考設計應用中最新的全 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)領域（交通運輸和電源）以及新興應用（例如電動汽車、可再生能源和數(shù)據(jù)中心）的快速增長。

 

功率模塊電子產品的趨勢

 

由于功率模塊易于排布并且通常與符合行業(yè)標準的總線連接、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，功率模塊正越來越受歡迎。使用模塊可使電源系統(tǒng)設計師專注于將電源系統(tǒng)發(fā)揮最大性能，而不必花費寶貴的工程時間來開發(fā)定制外殼、散熱器、總線互連以及集成/調整感測和控制電子。

 

隨著越來越多的應用以驚人的速度增長，更快速、更高效地開發(fā)電力系統(tǒng)的需求，比以往任何時候都更迫切（參見圖 2）。對可再生能源系統(tǒng)、電動汽車、火車/軌道交通、更高效電網(wǎng)系統(tǒng)（包括電能存儲）以及使數(shù)據(jù)中心和關鍵電氣系統(tǒng)保持無縫運行的不間斷電源（UPS）的需求，每年都在以兩位數(shù)增長。

 

圖 2：

隨著使用 SiC 材料和功率模塊市場的持續(xù)增長，對 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

 

由于新應用對電源模塊的需求越來越大，加之對已有應用的升級改造，所以對于增強電源模塊的性能和技術能力存在著創(chuàng)新的機會。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 功率模塊的構造特征主導了人們對功率密度和構造限制的普遍預期。

 

但是，隨著針對 SiC 進行了優(yōu)化的新型電源模塊的出現(xiàn)，這些標準和看法需要進行調整。最新的SiC 晶體管是采用 SiC 半導體開發(fā)的，其帶隙電壓幾乎是 Si 的 3 倍，臨界場達 10 倍以上、熱導率超過 5 倍，且整個功率器件的品質因數(shù)遠超 Si 的能力（見表 1）。

 

表 1：Si 和 SiC 半導體特性

 

與雙極結型晶體管相比，SiC 的優(yōu)勢加之與 MOSFET 型晶體管的使用相結合，使得新型全 SiC 功率器件能夠在比同類 Si IGBT 尺寸小的器件中，實現(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）的開關損耗。因此，SiC 器件的開關速度可以設置為超出（通常為 10-50 kHz）Si IGBT 極限開關速度的幾倍。與 Si IGBT 相比，SiC 器件的導通損耗更低，在輕負載下也可以實現(xiàn)更高效率。

 

創(chuàng)新將 SiC 功率模塊推向商用市場

 

對于電源模塊，電源設備本身只是故事的一部分。組件和附屬電子電路的設計和集成功能也會極大地影響整個電源模塊的性能和功能。因此，需要進行仔細的設計以優(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用的互連復雜性。

 

Wolfspeed 通過其最新的 XM3 全 SiC 電源模塊實現(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、并且同時提高性能等。新型XM3 SiC 模塊技術的許多特性類似于高度復雜的小批量定制生產系統(tǒng)，但 XM3 模塊的設計目標是以極具競爭力的價格為大批量應用提供此類性能和特性。

 

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)、軌道交通和汽車應用。

 

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 裸片技術進行開發(fā)，并且實現(xiàn)了傳導優(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）設計

● 大于 5 倍的更低開關損耗，從而實現(xiàn)更高的開關頻率（10-50 kHz 典型值）

● 傳導損耗低，無固有拐點電壓，可提高輕載效率

● 在低側開關位置（靠近外部 NTC 引腳位置）集成了溫度傳感器

● 內置電壓感測（De-Sat/去飽和）連接，易于集成驅動器

● 偏置的中間端子布局允許簡單和低電感的母線互連

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

 

盡管 XM3 模塊具有出色的電氣特性，但在設計時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 模塊封裝構建，使其工作功率密度大于 30 kW/L，與其它同類額定功率模塊相比，其封裝尺寸減小了 60％。這一事實與優(yōu)化的母線互連策略（可降低系統(tǒng)級寄生電感）相結合，可使功率模塊效率超過 98％。

 

關鍵參考設計 — 300 kW 三相逆變器

 

XM3 SiC 電源模塊的高功率密度和低環(huán)路電感可使許多應用受益。以下是 Wolfspeed 300kW 三相逆變器參考設計的描述，該逆變器非常適合電機和牽引驅動器、并網(wǎng)分布式發(fā)電和高效轉換器。

 

圖 4：

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

 

遵循 XM3 電源模塊的設計理念，該三相逆變器設計經(jīng)過優(yōu)化，以實現(xiàn)低電感、高載流量電路，從而降低了整個系統(tǒng)的成本和復雜性。此外，重疊的平面母線結構用于最大程度地減少額外電感的導入，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現(xiàn)更快的開關速度。

 

與其它設計特性一道,包括 Wolverine™的微變形液冷卻冷板，最終實現(xiàn)的逆變器尺寸為 279 mm ×291 mm × 155 mm、功率密度為 32.25 kW/L。該逆變器參考設計能提供 1.2 kV 的工作電壓,并達到250 kW 的功率，而體積比 Wolfspeed 之前逆變器參考設計要小許多。此外，在實際測試中，盡管在測試過程中使用了極小的柵極電阻，采用 XM3 SiC 模塊技術的三相逆變器設計仍表現(xiàn)出極低的開關損耗、極小振鈴（見圖 3 和圖 4）。

 

圖 5：

關斷（左）和導通（右）時，下部開關的開關波形。

 

圖 6：

關斷（左）和導通（右）時，上部開關的開關波形。

 

SiC 模塊的使用案例和應用

 

Wolfspeed 新型 XM3 SiC 電源模塊經(jīng)過設計適用于多種應用，包括現(xiàn)代電機和牽引驅動、不間斷電源（UPS）和電動汽車（EV）充電機系統(tǒng)。此外，XM3 的緊湊型封裝和優(yōu)化的母線設計所實現(xiàn)的致密化，可使任何經(jīng)歷高磁場強度、需要大量輸入和/或輸出濾波器、功率水平介于 100 kW 和300 kW 之間的應用受益。

 

此外，原先使用 Si IGBT 模塊、開關速度被限制在幾千赫茲的系統(tǒng)，若借助全 SiC 模塊，則可將開關速度提高幾倍。它們包括：數(shù)據(jù)中心電源、工廠自動化系統(tǒng)以及其它具有較高系統(tǒng)級成本的場景，其中更高的效率和減少的模塊數(shù)量可節(jié)省運營和系統(tǒng)級成本。此外，SiC MOSFET 裸片的物理耐用性和工作溫度范圍超過了 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用（例如軌道交通、牽引和重型設備行業(yè)）中運行。

 

結論

 

伴隨著電力電子行業(yè)的增長以及新生市場力量的推動下，對性能的要求已超出了 Si 基雙極電源模塊的技術極限。因此，Wolfspeed 已將其在 SiC 技術方面的卓越成就應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、高溫運行、快速開關速度和低電感設計等優(yōu)勢，正逢其時地為新興的電機、轉換器、逆變器和電源應用貢獻了體積小得多、效率更高的電源系統(tǒng)。

 

參考文獻

 

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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