【经验】仿真实例！来看SiC MOSFET半桥模块如何秒杀Si IGBT模块
在较低的开关频率下，受益于碳化硅（SiC）MOSFET的低开关损耗，其可以使系统成本降低。当开关频率为5kHz时，在保证系统性能和可靠性的情况下，100A的 SiC模块可替换150A硅模块。当系统开关频率为16kHZ时，在保证过载和散热要求的情况下，100A的 SiC模块可替换300A硅模块。
引言
当前碳化硅是唯一的宽禁带材料可以满足当前电力电子市场对高性能1200V和1700V电源设备的需求。SiC二极管技术经过超过十年的蓬勃发展，碳化硅开关管在电路解决方案上的应用越来越多。例如，在2012年11月， Cree公司宣布推出业界首个符合安全认证的SiC模块(CAS100H12AM1 1200V, 100A SiC MOSFET module)如图1所示。该半桥模块尺寸为50mm×90mm×25mm，内部包括：五个1200V，80mΩ，第一代SiC MOSFETs(CPMF-1200-S080B)和五个1200V，10A的第二代SiC肖特基二极管(CPW2-1200-S010B)。与传统的铜铝基板相比，所有的SiC模块采用铝基板，可以实现更好的散热和重量的轻型化。功率半导体通过氮化硅绝缘体与基板分离开来，该绝缘体利用金属钎焊铜接头来扩展热功率循环。基于这些模块特性保证了碳化硅芯片封装的可靠性。
图1 ：1200V、100A碳化硅功率模块CAS100H12AM1
电压源逆变器的设计
由于SiC器件开关损耗的显著降低，100A 额定电流的SiC MOSFET可以取代较高额定电流的Si IGBT。在直流/交流中的应用，如马达驱动器，不间断电源和太阳能逆变器的基本三相电压源逆变器（VSI），其关键参数如表1所示。
表1：电压源逆变器主要参数
本文对基于第六代沟槽栅技术和场中止技术的150A、200A Si IGBT半桥模块与100A SiC MOSFET半桥模块进行了对比分析，如图2所示。在节温Tj = 150°C，额定75A电流下，100A SiC MOSFET和150A Si IGBT的正向压降如图2所示。在节温Tj = 150°C，过载90A电流情况下，100A SiC MOSFET 与150A Si IGBT相比多了0.3V的正向压降。然而，SiC MOSFET总的开关损耗(Eon + Eoff + Err)性能明显低于150A Si IGBT 4倍到7倍。这使得在使用碳化硅元件低开关频率（5kHz）应用中，系统的整体损耗也可以显著降低。系统整体损耗的降低可以带来更好的热稳定性和功率密度。
图2：在25和150摄氏度时150A Si IGBT和100A SiC MOSFET的导通损耗
图3：150摄氏度时150A Si IGBT和100A SiC MOSFET的开关损耗
电压源逆变器的仿真结果
运用Si IGBT厂家提供的仿真软件对表1所描述的电压源逆变器进行仿真，其中模块参数设置参看表3。对于150A Si IGBT 和 100A SiC MOSFET 模块，在保证同样散热规格下，分别在正常75A和过载90A情况下以及5kHz和16kHz下对系统运行。
从表3可以看出，在5kHz下，150A Si IGBT模块在正常和过载情况下，可以保持平均结温度远低于150°C的最大额定值。将开关频率增加到16kHz，显然会导致系统过载能力不足以散热。为了实现20%的过载能力（90A），必须用200A Si IGBT模块去替换150A Si IGBT模块。如果在过载条件下需要散热满足要求，则需要250或300A Si IGBT模块。另一方面，针对电压源逆变器的两个频率，100A的SiC MOSFET模块却能保证正常运行。
表2:基于150A、200A Si IGBT模块和100A SiC MOSFET模块的电压源逆变器仿真结果
SiC MOSFET模块的有效开关可以使温度有效降低。在75A和5kHz情况下，开关损耗降低了13.7%，结温降低了2.1°C。二极管的损耗减少了58.3%，结温降低了9.2°C。整体器件损耗降低23.2%（或145.3瓦）。此外，散热器和机箱温度分别减少7.4和8°C，同时增加了热界面材料的寿命。因此，即使系统在低开关频率的场合应用，SiC MOSFET在有效降低系统损耗的同时也能够保证系统的可靠性。
图4：在75A额定电流和5kHz的情况下，100A SiC MOSFET 和 150A Si IGBT 模块的总损耗
由图4可知，SiC MOSFET全部功率损耗波形的峰均比仅为2.81，而Si IGBT为3.48。在相同的热阻抗情况下，正常运行时SiC MOSFET的温升将低于Si IGBT，这进一步增加了SiC模块的可靠性。
随着开关频率从5kHz增加到16kHz，SiC MOSFET技术所带来的优势更为明显。为了满足过载条件，Si IGBT模块需要200A，但没有热余量。在额定75A情况下，100A的SiC MOSFET模块整体损耗为783.1瓦，比200A Si IGBT模块损耗低57.1%。这将使系统的节点、环境、散热器温度得到有效降低，从而保证系统的稳定性。然而如果要使温度留有余量，则需要250或300A Si IGBT模块。
总结
通过电压源逆变器的仿真可以证明，100 SiC MOSFET模块具有更高的性能、更低的损耗和更高的可靠性，并能够替换150A、200A，甚至300A的Si IGBT模块。在同一系统中，由于SiC的额定电流与Si的额定电流不同，所以基于碳化硅的设计需要评估系统的功率（$ /kW）作为成本的关键度量，而不是额定安培的价格。随着SiC功率器件数量的递增，生产制造工艺的丰富，以及材料的革新，其成本可以得到显著降低。而所有的SiC模块，比如WOLFSPEED碳化硅半桥模块 CAS100H12AM1，通过提供高的性能和可靠性，将会被市场更好的采纳。
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