圖 1.a 中:25℃和 150℃下不同續(xù)流二極管的正向電流與正向壓降。對比了 10A 的 SiC 肖特基二極管,傳統(tǒng)的軟開關(guān)硅二極管(CAL HD)和快速硅二極管(硅快速)。1.b:同一二極管的正向壓降和電流密度(正向電流除以芯片面積)。
SiC吸引力為何如此的大?在電力電子上又有哪些應(yīng)用?
發(fā)布時間:2020-07-30 責(zé)任編輯:lina
【導(dǎo)讀】據(jù)預(yù)測,采用 SiC 的功率模塊將進(jìn)入諸如可再生能源、UPS 電源、驅(qū)動器和汽車等應(yīng)用。風(fēng)電和牽引應(yīng)用可能會隨之而來。 到 2021 年,SiC 功率器件市場總額預(yù)計將上升到 10 億美元 [1]。在某些市場,如太陽能,SiC 器件已投入運行,盡管事實上這些模塊的價格仍然比常規(guī)硅器件高。是什么使這種材料具有足夠的吸引力,即使價格更高也心甘情愿地被接受?
據(jù)預(yù)測,采用 SiC 的功率模塊將進(jìn)入諸如可再生能源、UPS 電源、驅(qū)動器和汽車等應(yīng)用。風(fēng)電和牽引應(yīng)用可能會隨之而來。 到 2021 年,SiC 功率器件市場總額預(yù)計將上升到 10 億美元 [1]。在某些市場,如太陽能,SiC 器件已投入運行,盡管事實上這些模塊的價格仍然比常規(guī)硅器件高。是什么使這種材料具有足夠的吸引力,即使價格更高也心甘情愿地被接受?
首先,作為寬禁帶材料,SiC 提供了功率半導(dǎo)體器件的新設(shè)計方法。傳統(tǒng)功率硅技術(shù)中,IGBT 開關(guān)被用于高于 600V 的電壓,并且硅 PIN- 續(xù)流二極管是最先進(jìn)的。硅功率器件的設(shè)計與軟開關(guān)特性造成相當(dāng)大的功率損耗。有了 SiC 的寬禁帶,可設(shè)計阻斷電壓高達(dá) 15kV 的高壓 MOSFET,同時動態(tài)損耗非常小。有了 SiC,傳統(tǒng)的軟關(guān)斷硅二極管可由肖特基二極管取代,并帶來非常低的開關(guān)損耗。作為一個額外的優(yōu)勢,SiC 具有比硅高 3 倍的熱傳導(dǎo)率。連同低功率損耗,SiC 是提高功率模塊中功率密度的一種理想材料。目前可用的設(shè)計是 SiC 混合模塊(IGBT 和 SiC 肖特基二極管)和全 SiC 模塊。
SiC 混合模塊
SiC 混合模塊中,傳統(tǒng) IGBT 與 SiC 肖特基二極管一起開關(guān)。雖然 SiC 器件的主要優(yōu)勢是與低動態(tài)損耗相關(guān),但首先討論 SiC 肖特基二極管的靜態(tài)損耗。通常情況下,SiC 器件的靜態(tài)損耗似乎比傳統(tǒng)的硅器件更高。圖 1.a 顯示了傳統(tǒng)軟開關(guān) 600V 賽米控 CAL HD 續(xù)流二極管的正向壓降 Vf,為低開關(guān)損耗而優(yōu)化的快速硅二極管和 SiC 肖特基二極管,所有的額定電流為 10 A。
圖 1.a 中:25℃和 150℃下不同續(xù)流二極管的正向電流與正向壓降。對比了 10A 的 SiC 肖特基二極管,傳統(tǒng)的軟開關(guān)硅二極管(CAL HD)和快速硅二極管(硅快速)。1.b:同一二極管的正向壓降和電流密度(正向電流除以芯片面積)。
在 10A 的額定電流下,硅續(xù)流二極管展現(xiàn)出最低的正向壓降,SiC 肖特基二極管的 Vf 更高,而快速硅二極管展現(xiàn)出最高的正向壓降。正向電壓與溫度之間的關(guān)聯(lián)差別很大:快速硅二極管具有負(fù)的溫度系數(shù),150°C 下的 Vf 比 25°C 下的 Vf 低。對于 12A 以上的電流,CAL 的溫度系數(shù)為正,SiC 肖特基二極管即使電流為 4A 時,溫度系數(shù)也為正。由于二極管通常并聯(lián)以實現(xiàn)大功率器件,需要具有正溫度系數(shù)以避免并聯(lián)二極管中的電流不平衡和運行溫度不均勻。這里,SiC 肖特基二極管顯示出最佳的性能。但與常規(guī)硅二極管相比,SiC 肖特基二極管的靜態(tài)損耗較高。由于二極管是基于 10A 額定電流進(jìn)行比較的,考慮不同供應(yīng)商的器件之間有時不同的額定電流定義是很重要的。為了更加深入地了解器件性能,畫出電流密度(正向電流除以芯片面積)與正向壓降之間的關(guān)系是有用的,它考慮到了芯片的面積。圖 1.b 顯示了等效電流密度,傳統(tǒng)硅二極管和 SiC 肖特基二極管具有非常相似的正向壓降,而快速硅二極管的 Vf 仍然是最高的。換句話說,當(dāng)使用相同的芯片面積時,硅二極管和 SiC 二極管具有可比的靜態(tài)損耗。通常 SiC 芯片尺寸更小,由于額度電流的確考慮到了靜態(tài)和動態(tài)損耗,額定電流,所以帶來較小的總損耗,因此縮小了芯片的尺寸。
看一下 SiC 肖特基二極管的動態(tài)損耗,可以清楚地看到 SiC 器件的主要優(yōu)點,見表 1。
表 1:傳統(tǒng)硅續(xù)流二極管(CAL HD)、SiC 肖特基二極管和快速硅二極管的動態(tài)參數(shù)。所有二極管額定電壓 1200V,額度電流 10A。
于常規(guī)硅二極管相比,SiC 肖特基二極管的反向恢復(fù)電流 IRRM 要低 50%以上,反向恢復(fù)電荷 QRR 降低了 14 倍,關(guān)斷損耗 Eoff 降低了 16 倍。Si- 快速二極管顯示了比常規(guī)硅二極管更好的特性,但它不會達(dá)到 SiC 肖特基二極管那樣的優(yōu)異動態(tài)特性。由于 SiC 肖特基二極管動態(tài)損耗低,可以顯著減少逆變器損耗,節(jié)約用于冷卻的開支并且增加逆變器的功率密度。此外,低動態(tài)損耗使 SiC 肖特基二極管非常適合高開關(guān)頻率。
另一方面,快速開關(guān)的續(xù)流二極管可能有個缺點,反向電流非常陡峭的下降可能導(dǎo)致電流截止和振蕩。在使用硅二極管的情況下,電流截止是由軟關(guān)斷特性控制的。圖 2 比較了在 CAL HD 和 SiC 肖特基續(xù)流二極管的關(guān)斷特性。
圖 2:硅二極管和 SiC 續(xù)流二極管關(guān)斷特性。SiC 二極管的關(guān)斷損耗幾乎看不出來。由于 SiC 二極管的關(guān)斷損耗小,反向電流迅速下降,使得反向電流和電壓上的振蕩小。
有了硅基 CAL HD 二極管,能夠觀測到 CAL 硅續(xù)流二極管眾所周知的軟關(guān)斷行為。由于反向電流平滑地減小,沒有看到電壓尖峰和振蕩。另一方面,軟關(guān)斷行為會帶來顯著的關(guān)斷損耗,因為當(dāng)二極管上的電壓上升時有相當(dāng)大的反向電流流過。SiC 肖特基二極管基本上沒有顯示出任何的反向恢復(fù)電荷,因此關(guān)斷損耗非常低。由于反向電流的迅速減小,產(chǎn)生小的振蕩,可以在反向電流和壓降中見到紋波。在我們的例子中,SiC 肖特基二極管的快速關(guān)斷行為通過優(yōu)化 DCB 上的芯片布局和模塊的低雜散電感進(jìn)行處理。因此,電壓振蕩很小,不會導(dǎo)致顯著過電壓尖峰。因此,能夠管理快速開關(guān)二極管的缺點,并通過優(yōu)化的模塊設(shè)計充分利用 SiC 肖特基二極管的優(yōu)點。圖 3 中,通過對比傳統(tǒng)硅模塊和帶有快速硅 IGBT 和 SiC 肖特基二極管的 SiC 混合模塊顯示出 SiC 二極管的優(yōu)點。
圖 3:傳統(tǒng)硅三相橋模塊的輸出電流(1200V,450A 溝道型 IGBT+CAL 續(xù)流二極管)和 SiC 混合三相橋模塊(1200V,300A 快速 IGBT 和 SiC 肖特基二極管)。安裝在水冷散熱器上的 SKiM93 模塊的熱損耗計算。
正如所料,SiC 肖特基二極管的優(yōu)異動態(tài)特性顯著增加了模塊的輸出功率。給定芯片設(shè)置,該設(shè)置被選擇用于較高開關(guān)頻率下實現(xiàn)最佳性能,30kHz 下的可用輸出電流可以增加超過 70%。隨著開關(guān)頻率的進(jìn)一步升高,混合 SiC 模塊所帶來的好處甚至更大。較低的損耗和由此而產(chǎn)生更大模塊級功率輸出可以以幾種方式被利用。逆變器的重量和體積可顯著減少,這對諸如汽車和航空航天應(yīng)用很重要。利用高開關(guān)頻率,采用較小的 LC 濾波器是可能的,這可以減少逆變器尺寸和成本。最后但并非最不重要的是,更低的損耗在能效方面也是顯著的優(yōu)勢,對諸如太陽能、UPS 和汽車應(yīng)用很重要。
全 SiC 模塊
使用如 SiC MOSFETS 這樣的 SiC 開關(guān),可進(jìn)一步降低功率模塊的整體損耗。在表 2 中,對比了 1200V、25A 的三相橋 IGBT 模塊和 20A 全 SiC 組件的靜態(tài)和動態(tài)損耗。
表 2:1200V、25A IGBT 模塊(溝道型 IGBT+CAL 二極管)與 20A 全 SiC 模塊(SiC MOSFET 和 SiC 肖特基二極管)之間的靜態(tài)和動態(tài)損耗對比
全 SiC 模塊的靜態(tài)損耗高 17%,而動態(tài)損耗顯著降低:導(dǎo)通損耗低 3 倍,關(guān)斷損耗低超過 6 倍。從而,一個完整的 SiC 模塊的可用輸出功率大大高于傳統(tǒng)的硅技術(shù),特別是在較高的開關(guān)頻率下,如圖 4.a 所示。
圖 4.a:1200V、20A 三相橋全 SiC 模塊和傳統(tǒng) 1200V、25A 三相橋 IGBT 模塊的輸出功率 Pout。 4.b:輸出功率除以芯片面積表示所用功率半導(dǎo)體的功率密度。熱損耗計算基于風(fēng)冷散熱器,40°C 的環(huán)境溫度。
開關(guān)頻率高于 20KHz 時,全 SiC 模塊的輸出功率比 IGBT 模塊高 100%以上。此外,輸出功率對開關(guān)頻率的依賴也小。反過來,全 SiC 功率模塊可用于非常高的開關(guān)頻率,因為與 10kHz 時的輸出功率相比,40kHz 時的輸出功率只低 28%。當(dāng)開關(guān)頻率低于 5kHz 時,IGBT 模塊顯示出較高的輸出功率。這是以內(nèi)全 SiC 的模塊中所用的 SiC 芯片組是針對非常高的開關(guān)頻率而優(yōu)化的。針對較低開關(guān)頻率的優(yōu)化也是可能的。再次,通過考慮用于硅和 SiC 芯片的芯片面積,來處理這兩個模塊的功率密度是有用的。在圖 4b 中,輸出功率除以芯片面積得到功率密度。全 SiC 模塊的功率密度比 IGBT 模塊要高得多,甚至在開關(guān)頻率低于 5kHz 時。因此,通過使用更大的芯片面積來優(yōu)化用于低開關(guān)頻率的全 SiC 模塊是可能的。 只要 SiC 芯片尺寸合適,SiC 器件可以在廣泛的開關(guān)頻率范圍內(nèi)提供更高的輸出電流和輸出功率。
大功率 SiC 器件
大功率要求功率芯片和模塊大量并聯(lián)。目前,可以獲得額定電流高達(dá) 200A 的硅 IGBT 和傳統(tǒng)續(xù)流二極管,SiC MOSFET 和肖特基二極管的最大額定電流迄今為止小于 100A。因此,不得不并聯(lián)大量的 SiC 晶片以實現(xiàn)大額定功率??紤]到 SiC 器件的快速開關(guān)特性和振蕩趨勢,需要低電感模塊設(shè)計和 DCB 基板上優(yōu)化的芯片布局。在下文中,1200V、900A 全 SiC 模塊與 1300A 的常規(guī)硅模塊相對比。 IGBT 模塊利用 2 塊并聯(lián)的 DCB 基板,每個基板配有并聯(lián)的 9 個 75A 溝道 IGBT,連同 5 個 100A CAL 續(xù)流二極管。為了獲得與 SiC 等效的功率輸出,并且由于可以獲得額定電流較低的 SiC 器件,全 SiC 模塊采用 2 塊 DCB 基板,每個基板配備有 23 個 20A SiC-MOSFET 和 34 個 13.5A SiC 肖特基續(xù)流二極管。全 SiC 模塊中,共有 46 個 SiC MOSFET 和 68 個 SiC 肖特基二極管被并聯(lián)。表 1 示給出了 Si 和全 SiC 模塊基本數(shù)據(jù)的對比。
表 3:1200V,900A 全 SiC 模塊和其 1300A IGBT 等效器件的電氣及熱特性數(shù)據(jù)。
對比熱數(shù)據(jù),全 SiC 模塊顯示出比傳統(tǒng)硅模塊更低的熱阻。這是由于與 Si 相比,SiC 具有更高的熱傳導(dǎo)率和更好的熱擴(kuò)散能力:在此布局中,4 個 SiC 二極管芯片在相同的空間上代替 1 個硅二極管。SiC 器件更低的熱阻是特別重要的,因為在這種情況下硅芯片使用了 21 cm2 的總面積,而全 SiC 模塊只用了 10 cm2。與硅模塊的通態(tài)損耗相比,全 SiC 模塊的通態(tài)損耗更高。SiC 肖特基二極管的正向壓降也是這樣。全 SiC 模塊的動態(tài)損耗非常低:SiC MOSFET 的開關(guān)損耗比硅 IGBT 低 4 倍,SiC 肖特基二極管的損耗低 8-9 倍。
較低的動態(tài)損耗和更好的散熱帶來相當(dāng)高的功率輸出,如圖 5 所示。
圖 5:1200V,900A 全 SiC 模塊和 1300A IGBT 模塊輸出電流的對比。熱損耗計算基于為風(fēng)冷散熱器,60°C 的環(huán)境溫度。
即使在 4kHz 的低開關(guān)頻率下,全 SiC 模塊的優(yōu)點也是顯而易見的:可用輸出電流可提高 85%。再次,認(rèn)識到 SiC 并不局限于非常高開關(guān)頻率是很重要的。換句話說,與采用傳統(tǒng)硅 IGBT 技術(shù)相比,逆變器的模塊部分可小近 2 倍,這是一個優(yōu)點,特別是在高功率應(yīng)用中,如風(fēng)力發(fā)電。多年來,風(fēng)力渦輪機(jī)的功率在增加,隨著標(biāo)準(zhǔn)功率約為 2-4MW,風(fēng)電已裝機(jī)容量達(dá) 7.5MW??捎糜陔娫茨孀兤鞯目臻g仍然是受限的,減少逆變器的尺寸,不僅解決了空間問題,同時也減少了運輸和安裝成本。
總結(jié)
在模塊層面上,SiC 主要有兩個好處:更小的芯片尺寸和更低的動態(tài)損耗。在系統(tǒng)層面上,這些優(yōu)勢可被以多種方式利用。低動態(tài)損耗帶來輸出功率的顯著增加,將提供減輕重量和減小體積的機(jī)會。值得一提的是,無需額外的冷卻能力就可實現(xiàn)功率的增加。因為與硅器件相比,SiC 帶來實際的損耗減少,可能在相同的冷卻條件下得到更高的輸出功率。低的功率損耗能提高能效,允許設(shè)計高效率的逆變器,例如用于太陽能和 UPS 應(yīng)用。
此外,低動態(tài)損耗使得 SiC 器件非常適用于 20kHz 以上的較高開關(guān)頻率。利用高開關(guān)頻率,可以減少 LC 濾波器的成本和尺寸。根據(jù)所使用的芯片面積,在 4kHz 的低開關(guān)頻率下也可以展示 SiC 的優(yōu)點。SiC 的其它優(yōu)點涉及到增強(qiáng)的散熱和正溫度系數(shù),這對并聯(lián)的的 SiC 芯片很重要。所有這一切都使得 SiC 在廣泛的可能應(yīng)用范圍內(nèi)成為非常有吸引力的材料。然而,SiC 功率器件的價格仍然較高,造成混合和全 SiC 模塊的價格比傳統(tǒng)的硅解決方案要高得多。這些較高的成本限制了市場準(zhǔn)入,SiC 解決方案主要應(yīng)用于高端應(yīng)用中。成本評估表明,在許多應(yīng)用中,為了實現(xiàn)積極的商業(yè)案例,SiC 模塊的價格必須高 2-3 倍。
在某些應(yīng)用中,較高的價格可能是可以承受的,因為像體積小、重量輕、效率高等好處能勝過較高的成本。由于成本遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)硅解決方案,用 SiC 的總體擁有成本需要仔細(xì)考慮。一些優(yōu)勢并不直接與更高的功率輸出或更高的效率相關(guān)。例如,減小風(fēng)能逆變器的尺寸和重量,不僅節(jié)省了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的內(nèi)部空間,同時也減少了運輸和安裝工作。
SiC 提供了大量的好處,迫使電力系統(tǒng)的設(shè)計有不同的想法,回顧傳統(tǒng)的設(shè)計,并尋找新的方法來充分利用 SiC 技術(shù)。在模塊層面,需要針對大量芯片并聯(lián)的低電感設(shè)計和優(yōu)化的 DCB 布局,當(dāng)然還有新的封裝技術(shù),如賽米控針對高可靠性和高運行溫度的燒結(jié)技術(shù)。賽米控通過深入細(xì)致的研究支持 SiC 解決方案,SiC 器件可以采用所有的標(biāo)準(zhǔn)封裝進(jìn)行組裝。優(yōu)化的解決方案和拓?fù)湓诳蛻舻拿芮信浜舷卤辉u估,這確實是有必要。定制的解決方案是一種具有成本競爭力的方式。
不過,價格問題仍然存在,需要針對電力電子市場中的廣泛突破性的 SiC 器件進(jìn)行解決。前景是樂觀的:根據(jù)市場研究,SiC 肖特基二極管的價格預(yù)計下降約 30%,SiC MOSFET 的價格預(yù)計在未來幾年下降約 40%,這顯著增加了 SiC 的競爭力??梢灶A(yù)見的是,混合 SiC 和全 SiC 模塊的價格將不但適用于高端應(yīng)用,而且未來 3 年內(nèi)也將用于標(biāo)準(zhǔn)解決方案。事實上,SiC 進(jìn)入電力電子是一個漫長的過程,尋求廣泛的市場準(zhǔn)入尚未完成。但種種跡象都積極表明,未來幾年 SiC 將成為用于電力電子應(yīng)用的一項成熟技術(shù)。
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