電力電子中的碳化硅SiC

1、電力電子中的碳化硅SiCSiC in Power Electro nicsVolker Demuth, Head of Product Ma nageme nt Compo nent, SEMIKRON Germa ny據預測，采用 SiC的功率模塊將進入諸如可再生能源、UPS電源、驅動器和汽車等應用。風電和牽引應用可能會隨之而來。到2021年，SiC功率器件市場總額預計將上升到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 高也心甘情愿地被承受？首先，作為寬禁帶材料，SiC提供了功率半導體器件

2、的新設計方法。傳統(tǒng)功率硅技術中，IGBT開關被用于高于600V的電壓，并且硅PIN-續(xù)流二極管是最先進的。硅功率器件的設計與軟開關特性造成相當 大的功率損耗。有了 SiC的寬禁帶，可設計阻斷電壓高達15kV的高壓MOSFET同時動態(tài)損耗非常小。有了SiC，傳統(tǒng)的軟關斷硅二極管可由肖特基二極管取代，并帶來非常低的開關損耗。作為一個額外的優(yōu)勢，SiC具有比硅高3倍的熱傳導率。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。 雖然SiC器

3、件的主要優(yōu)勢是與低動態(tài)損耗 相關，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600V賽米控CAL HD續(xù)流二極管的正向壓降 Vf，為低開關損耗而優(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。wr in mV圖1.a中：25C和150C下不同續(xù)流二極管的正向電流與正向壓降。比照了 10A的SiC肖特基二極管，傳統(tǒng)的軟開關硅二極管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肖特基二極管的 Vf更高，而快速硅二極管展150°C 下

4、的Vf比2在10A的額定電流下，硅續(xù)流二極管展現出最低的正向壓降, 現出最高的正向壓降。正向電壓與溫度之間的關聯(lián)差異很大：快速硅二極管具有負的溫度系數,5°C下的Vf低。對于12A以上的電流，CAL的溫度系數為正，SiC肖特基二極管即使電流為4A時，溫度系數也為正。由于二極管通常并聯(lián)以實現大功率器件，需要具有正溫度系數以防止并聯(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正確的性能。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額定電流進展比較的，考慮不同供應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

5、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，當使用一樣的芯片面積時，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，由于額度電流確實考慮到了靜態(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?？匆幌耂iC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。CAL HD jl SiCSI-FASIg It XCV b I w ATj IdiJdt inA/us750

6、7007505,08.21.16o.craa0.26巴IT 0 ,rtmJQ.264二 0.0160.054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。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電流Irr啜低50%A上，反向恢復電荷 Qr降低了 14倍，關斷損耗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，但它不會到達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

7、特基二極管非常適合高開關頻率。另一方面，快速開關的續(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)流二極管的關斷特性。SiSiC圖2:硅二極管和SiC續(xù)流二極管關斷特性。SiC二極管的關斷損耗幾乎看不岀來。由于SiC二極管的關斷損耗小，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，軟關斷行為會帶來顯著的關斷損耗，因為當二極管上的電壓上升

8、時有相當大 的反向電流流過。SiC肖特基二極管根本上沒有顯示出任何的反向恢復電荷，因此關斷損耗非常低。由于反向電流 的迅速減小，產生小的振蕩，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展處理。因此，電壓振蕩很小，不會導致顯著過電壓尖峰。因此，能夠管理快速開關二極管的缺點，并通過優(yōu)化的模塊設計充分利用SiC肖特基二極管的優(yōu)點。圖 3中，通過比照傳統(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。000000005 0 5 0 5 0 53 3 2 2 11 <C一

9、匚巴一 ro In&noswitching frequency in kHz圖3:傳統(tǒng)硅三相橋模塊的輸岀電流1200V 450A溝道型IGBT+CA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莫塊的熱損耗計算。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。給定芯片設置，該設置被選擇用于較高開關頻率下實現最正確性能，30kHz下的可用輸出電流可以增加超過70%隨著開關頻率的進一步升高，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

10、和體積可顯著減少，這對諸如汽車和航空航天應用很重要。利用高開關頻率，采用較小的LC濾波器是可能的，這可以減少逆變器尺寸和本錢。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和汽車應用很重要。全SiC模塊使用如SiC MOSFETS這樣的SiC開關，可進一步降低功率模塊的整體損耗。在表2中，比照了 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。25A IGBT6-pack Mini-SKiiP13AC12T420A Full-SiC6-pack Mini-SKiiP13ACM12V15Vce20A, 150 ° C1,8V

11、2,1 VEon150° C,20A, 600V2,7mJ0,9mJEoff1,9mJ0,3mJ表2： 1200V 25A IGBT模塊溝道型IGBT+CA二極管與20A全SiC模塊SiC MOSFE和 SiC肖特基二極管之間的靜態(tài)和動態(tài)損耗比照全SiC模塊的靜態(tài)損耗高17%而動態(tài)損耗顯著降低：導通損耗低3倍，關斷損耗低超過 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，特別是在較高的開關頻率下，如圖4.a所示。Cm in圖4.a : 1200V 20A三相橋全SiC模塊和傳統(tǒng)1200V 25A三相橋IGBT模塊的輸岀功率Pout。4.b :輸岀功率除以芯片面積

12、表示所用 功率半導體的功率密度。熱損耗計算基于風冷散熱器，40°的環(huán)境溫度。開關頻率高于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%當開關頻率低于 5kHz時，IGBT模塊顯示出較高的輸出功率。這是以全SiC的模塊中所用的 SiC芯片組是針對非常高的開關頻率而優(yōu)化的。針對較低開關頻率的優(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

13、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)化用于低開關頻率的全SiC模塊是可能的。只要SiC芯片尺寸適宜，SiC器件可以在廣泛的開關頻率圍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200A的硅IGBT和傳統(tǒng)續(xù)流二極管，SiCMOSFE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晶片以實現大額定功率?？紤]到SiC器件的快速開關特性和振蕩趨勢，需要低電感模塊設計和DCB基板上優(yōu)化的芯片布局。在下文中，1200V、900A

14、全SiC模塊與1300A的常規(guī)硅模塊相比照。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S iC模塊根本數據的比照。1300A IGBT900A Full-SiCRhIGBT /0.040 K/W0.022 K/WSiC

15、-MOSFETRhDiode/SiC-Schottky0.056 K/W0.033 K/WVce900A, 150 °C1.7 V3.4 VEswitch150°C220mJ62mJ920A700AErr diode58mJ3,7mJ920A700A表3： 1200V 900A全 SiC模塊和其1300A IGBT等效器件的電氣與熱特性數據。比照熱數據，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具有更高的熱傳導率和更好的熱擴散能力：在此布局中，4個SiC二極管芯片在一樣的空間上代替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

16、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高的功率輸出，如圖5所示。圖5: 1200V 900A全SiC模塊和1300A IGBT莫塊輸岀電流的比照。熱損耗計算基于為風冷散熱器，60°的環(huán)境溫度。即使在4kHz的低開關頻率下，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，認識到 SiC并不局限于非常高

17、開關頻率是很重要的。換句話說，與采用傳統(tǒng)硅IGBT技術相比，逆變器的模塊局部可小近2倍，這是一個優(yōu)點，特別是在高功率應用中，如風力發(fā)電。多年來，風力渦輪機的功率在增加，隨著標準功率約為 2-4MW風電已裝機容量達 7.5MW可用于電源逆變器的空間仍然是受限的，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本錢?？偨Y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時機。值得一提的是，無需額外 的冷卻能力就可實現功率的增加。因為與硅器件相比，SiC帶來實際的損

18、耗減少，可能在一樣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，允許設計高效率的逆變器，例如用于太陽能和UPS應用。此外，低動態(tài)損耗使得SiC器件非常適用于 20kHz以上的較高開關頻率。利用高開關頻率，可以減少LC濾波器的本錢和尺寸。根據所使用的芯片面積，在4kHz的低開關頻率下也可以展示SiC的優(yōu)點。SiC的其它優(yōu)點涉與到增強的散熱和正溫度系數，這對并聯(lián)的的 SiC芯片很重要。所有這一切都使得SiC在廣泛的可能應用圍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。這些較高的本錢 限制了市場準入，SiC解決方案主要應用于高端應用中。本錢評估說明，在許多應用中，為了實現積極的商業(yè)案例，SiC模塊的價格必須高 2-3倍。在某些應用中，較高的價格可能是