新型SiC功率模塊以之Si IGBT,在更小的封裝內(nèi)提供更高的功率密度
發(fā)布時(shí)間:2019-11-08 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】隨著包括發(fā)電、儲能和交通運(yùn)輸在內(nèi)的眾多應(yīng)用轉(zhuǎn)向電力驅(qū)動,需要構(gòu)建更高性能的電力轉(zhuǎn)換和控制系統(tǒng),推進(jìn)以電力驅(qū)動的系統(tǒng)的未來發(fā)展。為此,對于更緊湊、更高功率密度和可高溫工作電源模塊的需求變得越來越大。
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(zhuǎn)移和對更高性能的關(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。
本文旨在對電源工程師和專業(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。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(chǎn)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(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,功率模塊正越來越受歡迎。使用模塊可使電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)師專注于將電源系統(tǒng)發(fā)揮最大性能,而不必花費(fèi)寶貴的工程時(shí)間來開發(fā)定制外殼、散熱器、總線互連以及集成/調(diào)整感測和控制電子。
隨著越來越多的應(yīng)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(shí)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(guān)鍵電氣系統(tǒng)保持無縫運(yùn)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(yīng)用對電源模塊的需求越來越大,加之對已有應(yīng)用的升級改造,所以對于增強(qiáng)電源模塊的性能和技術(shù)能力存在著創(chuàng)新的機(jī)會。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)了人們對功率密度和構(gòu)造限制的普遍預(yù)期。
但是,隨著針對 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)體開發(fā)的,其帶隙電壓幾乎是 Si 的 3 倍,臨界場達(dá) 10 倍以上、熱導(dǎo)率超過 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 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)的開關(guān)損耗。因此,SiC 器件的開關(guān)速度可以設(shè)置為超出(通常為 10-50 kHz)Si IGBT 極限開關(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
對于電源模塊,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(yīng)用的互連復(fù)雜性。
Wolfspeed 通過其最新的 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)是以極具競爭力的價(jià)格為大批量應(yīng)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(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 倍的更低開關(guān)損耗,從而實(shí)現(xiàn)更高的開關(guān)頻率(10-50 kHz 典型值)
● 傳導(dǎo)損耗低,無固有拐點(diǎn)電壓,可提高輕載效率
● 在低側(cè)開關(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(De-Sat/去飽和)連接,易于集成驅(qū)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(qiáng)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(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)級寄生電感)相結(jié)合,可使功率模塊效率超過 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(shè)計(jì),功率密度是其 2 倍以上,效率超過 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(shù)的三相逆變器設(shè)計(jì)仍表現(xiàn)出極低的開關(guān)損耗、極小振鈴(見圖 3 和圖 4)。
圖 5:
關(guān)斷(左)和導(dǎo)通(右)時(shí),下部開關(guān)的開關(guān)波形。
圖 6:
關(guān)斷(左)和導(dǎo)通(右)時(shí),上部開關(guān)的開關(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、不間斷電源(UPS)和電動汽車(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,則可將開關(guān)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(yùn)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(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(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、快速開關(guān)速度和低電感設(shè)計(jì)等優(yōu)勢,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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