【选型】可替代3倍电流Si IGBT模块的SiC MOSFET模块

时间： 2016-01-29 来源：Wolfspeed（世强翻译）

目前，SiC是目前唯一能解决电力电子市场对于高性能1200V和1700V器件需求的宽禁带半导体材料。SiC二极管技术已经在市场上蓬勃发展十多年，近年来许多开关器件已采用SiC电路解决方案。本文实例子分析了SiC MOSFET是如何替代3倍电流的Si IGBT模块的。

电压型变频器设计
由于SiC器件能显著降低开关损耗，一个额定电流100A的SiC MOSFET模块有望替换更大额定电流的Si IGBT模块。为了分析和量化这一点，设计了一个如表1所示规格的通用电压型变频器。

表1：电压型变频器规格

本文采用150A和200A第六代Si IGBT模块与100A SiC MOSFET模块做比较，相关参数见表2。150A、200A第六代沟场阻止Si IGBT半桥模块对100A的SiC MOSFET半桥模块相比（表2）。在额定电流条件下（75ARMS），Tj = 150℃ 状态时，100A SiC MOSFET和150A Si IGBT的导通压降近似相等（见图2）。在过载条件下（90ARMS），Tj = 150℃ 状态时，100A SiC Mosfet模块的导通压降比150A Si IGBT模块的导通压降高0.3V。然而具有优异开关能力的SiC MOSFET的总开关损耗只有150A Si IGBT的总开关损耗的七分之一到四分之一，这使得在使用SiC器件，即使在低开关频率（5kHz）的应用中，器件的损耗也显著减少，器件损耗的降低，允许更高的热裕量（可靠性增强）或更高的系统功率。

表2：150A和200A Si IGBT模块，100A SiC MOSFET模块的关键参数

图3 ：150A Si IGBT和100A SiC MOSFET导通损耗

图4：150A Si IGBT和100A SiC MOSFET开关损耗

电压型变频器仿真结果

通过使用SI IGBT制造商提供的软件对表1所述的电压型变频器，所需用表2的模块参数作为输入量进行了仿真。在150A Si IGBT和100A SiC MOSFET模块采用同样大小的散热器情况下，仿真运行了75A和90A两种电流，5kHz和16kHz两种开关频率的情形。

表3列出了150A Si IGBT模块在额定和过载条件下5kHz开关频率运行，其平均结温都低于150℃。把开关频率提高到16kHz，结果只能运行75A的最大电流，没有过载能力。要实现20%的过载能力，必须采用200A Si IGBT模块替换150A的Si IGBT模块。如果过载情况下还希望有一定的热裕量，那就需要采用250A或300A的Si IGBT模块。而100A SiC MOSFET模块在上述条件下都能正常工作。

表3. 电压型变频器仿真结果

SiC MOSFET模块的高效开关带来热效益。75ARMS和5kHz开关频率运行时，开关损耗降低了13.7%，可降低2.1℃的结温。二极管的损耗降低了58.3%，可降低9.2℃的结温。整个器件损耗降低了23.2%（或145.3瓦）。此外，散热器和外壳的温度分别降低了7.4℃和8℃，从而延长了热界面材料的使用寿命。综述所述，SiC MOSFET模块可缩减大量的功率损耗并大大提升产品的可靠性，即使在低开关频率的应用中也是如此。

图5： 100A SiC MOSFET和150A Si IGBT的总损耗（75ARMS和5kHz条件下）

SiC MOSFET总功率损耗的的峰值/平均值比值仅为2.81，而Si IGBT的则为3.48，比SiC MOSFET的高了24%。热阻抗近似相等时，SiC MOSFET在正常运行时将比Si IGBT经历更低的温度波动，这将进一步增加模块的可靠性。

随着开关频率从5kHz增大到16kHz，SiC MOSFET技术所带来的好处更加明显。为了满足过载条件，Si IGBT模块至少需要200A电流规格的，而且还没有多少热裕量。正常运行时（75ARMS），100A的SiC MOSFET模块总器件损耗只有200A Si IGBT模块的57.1%（仅为783.1瓦！）。这极大地降低了结温、壳温和散热器的温度，从而提高了可靠性。而为了满足热裕量的需求，还得采用250A或300A的Si IGBT模块。

总结

电压型变频器的仿真表明100A的SiC MOSFET模块可替代150A、200A甚至300A的 Si IGBT模块，同时还提供更高的性能、更低的损耗和更高的可靠性。从系统层面考虑，由于SiC器件的额定安培不等同于Si器件的额定安培，基于SiC的设计需要从系统功率来评估每kW的价格，而不是评估每额定安培的价格。随着SiC功率器件使用数量的上升、制造工艺的提升以及材料/器件的创新，其成本会迅速下降。所有的SiC模块如CAS120M12BM2就是通过缩减系统成本，且提供额外的性能和可靠性保证来赢得市场的。

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型号- MKS4J022202D00MSSD,10-FZ12NMA080NS03-M260F,0505025.MX52LEP,TFLEX HD300,BGM111,C2M1000170D,EFR32MG13P732F512GM48-C,RBN75H125S1GP4-A0,10-FY12NMA160SH01-M820F18,KT05,PS9402,SGM6022,MLX91208,28R1101-000,28R0610-000,30-FT12NMA160SH-M669F28,PS9031,LSIC2SD120E30CC,30-FT12NMA200SH-M660F08,LXXXX 15.00/05/90 4.5SN GR,28R1476-100,92ML,LX 15.00/05/90 4.5SN GR BX,MKS4J033305D00KSSD,TPCM780,RC12-6-01LS,SMBJ18CA,28R1953-000,PS9531L3,SI86XX,28B0141-000,WDU50N,SGM6032,WGM110,R5F56514FDLJ,C4D30120D,WDU70N,RBN40H125S1GPQ-A0,C2M0080120D,V23990-P629-L43,SGM2019,LSIC1MO120E0080,SID11X2K,SI8261BCD-C-IS

WEIDMUELLER,LITTELFUSE,LAIRD,SILICON LABS,WIMA,RENESAS,VINCOTECH,STANDEX-MEDER,II-VI MARLOW,WOLFSPEED,PI,ROGERS,MELEXIS,SGMICRO - 优选器件方案 - V2.1

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型号- 2SK2225-80-E,TFLEX HD300,CMS-R010-1.0,U9507C,TPCM 780,10-FZ074PA0XXSM-LXXXF08,SPFJ160,PS9402,BVE-A-R002-1.0,MLX91208,10-FZ07ANAXXSM-LE2XL08,PS9031,LSIC2SD120E30CC,SI8235BD-D-IS,SI8233BD-D-IS,10-FZ071SA050SM02-L524L18,KSU60D60N,92ML,10-FZ07ANA75SM-LE28L08,10-FZ07ANA150SM-LE20L08,0505030.MX52LEP,RC12-6-01LS,10-FY074PA100SM-L583F08,10-FZ071SA100SM02-L526L18,SMBJ18CA,ADP32F12A,PS9531L3,10-FZ071SA075SM02-L525L18,RBN75H65T1GPQ-A0,C4D30120D,KSF60F60B,SID1152K,SI8621BD-B-IS,10-FZ07ANA100SM-LE29L08,10-FZ074PA050SM-L624F08,10-FZ074PA075SM-L625F08,SGM2019

ISABELLENHUETTE,LITTELFUSE,LAIRD,SILICON LABS,ADVANCECHIP,RENESAS,VINCOTECH,II-VI MARLOW,WOLFSPEED,LONGSUNG,KYOCERA,PI,ROGERS,MELEXIS,SGMICRO - 优选器件方案 - V1.1

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型号- EFR32MG13,SMBJ,SMAJ,LXS,C2M1000170D,SMDJ,MLX91210KDC,SMCJ,R5F562TAADFP,WDU,SI8235BD-D-ISR,TGARD500,EFR32FG,SMF,SLM152,SC92,SI86XX,V23990-P629-F73-PM,TGARD3000,10-FZ12NMA040SH-M267F,TGARD K52-2

NIPPON CHEMI-CON,RENESAS,MEIG,VINCOTECH,WOLFSPEED,WEIDMUELLER,LITTELFUSE,LAIRD,ROGERS,SILICON LABS,MELEXIS - 优选器件方案

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型号- C4D10120D,T-FLEXHD300,SMBJ,BGM111,LXS,SMDJ,C2M1000170D,1812L,SLM750,SLM152,SC92,PS9402,TGARD500,30R,RBN40H125S1FPQ-A0,EFR32MG,PS9031,60R,LSIC2SD120E10CC,SMAJ,SMCJ,WDU,SMF,SI4438-C,WGM110,MKP,MLX91210,10-FZ12NMA040SH-M267F,2920L,BVS,EFM32JG,SGM2019

ISABELLENHUETTE,WEIDMUELLER,LITTELFUSE,LAIRD,SILICON LABS,WIMA,CREE,NIPPON CHEMI-CON,MEIG,RENESAS,VINCOTECH,WOLFSPEED,ROGERS,MELEXIS,SGMICRO - 优选器件方案 - V1.2

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COMMERCIALLY AVAILABLE SIC POWER DEVICES

型号- C4D40120D,CPM2-1200-0080B,CPM2-1200-0040B,CPW3-1700-S025B,C2M0280120D,C3D10170H,C3D03065E,CRD-001,CPM3-0900-0065B,CPW2-0650-S016B,C3D02060A,CRD-06AD09N,CRD-5FF0912P,CRD15DD17P,CRD-50DD12N-2,CCS020M12CM2,CSD01060A,C3M0065100J,C3M0065100K,C3D08065A,C4D08120A,C3M0120090D,CPM2-1200-0025B,C3D08065E,C4D08120E,CSD01060E,CPW4-1200-S002B,C3D25170H,CPW5-0650-Z030B,C4D30120D,C3D20060D,C3M0120090J,C3D08065I,CGD15FB45P1,C2M0160120D,C3D02060E,C3D02060F,CPM2-1700-0045B,C4D10120D,C4D10120A,C4D02120E,CPM3-1000-0065B,C3D04060A,C4D02120A,C2M0045170P,C4D10120H,C4D10120E,CPW3-1700-S010B,CRD-200DA09E,C3D16065A,CPW3-0650-S004B,CPW5-1700-Z050B,C3D1P7060Q,C3D16065D,CPW3-0600-S004B,C3D04060E,C3D04060F,KIT8020-CRD-8FF0917P-2,CRD-8FF1217P-1,CPW2-0650-S006B,CPW3-0600-S002B,CPW2-0650-S010B,CPM2-1200-0160B,CRD-50DD12N,C3D10060A,C2M0045170D,C3D06060F,C3D06060G,C3D06060A,C3D10060G,CRD-8DD12P,CRD-200DA12E,C2D05120A,CPW3-0600-S003B,CPM3-0900-0030A,CGD15HB62LP,C3D02065E,C3D10065A,C4D15120D,C3M0065090J,C4D15120A,C3M0065090D,CPWR-0600-S001B,CPW5-1200-Z050B,C3M0075120K,C3D10065I,C3M0030090K,C3D10065E,CGD15SG00D2,C3D08060A,CPW2-0600-S010B,C3D08060G,CPW4-1200-S005B,C3M0120100J,C3D20065D,C4D15120H,CPW4^1200-S015B,C3M0120100K,CPW2-0650-S012B,C3D12065A,C3D03060E,C3D30065D,C3D03060F,CPW2-1200-S050B,C3D16060D,CPW2-0600-S006B,C3D03060G,CPW2-0650-S008B,CRD-060DD17P-2,CPW4-1200-S010B,C3D03060A,CPW5-0650-Z050B,C2M0080120D,CRD-20AD10N,CAS300M17BM2,C2M1000170D,C3D06065A,C2M1000170J,C3D06065I,C4D20120H,C3D06065E,CAS325M12HM2,C3M0280090J,CRD-20DD09P-2,CPW4-1200-S003B,C3M0280090D,C5D50065D,C4D20120A,CGD15HB62P1,CVFD20065A,CRD-02AD09N,C4D20120D,KIT8020-,C3D04065A,CAS300M12BM2,CCS050M12CM2,CRD-060DD12P,C3D04065E,CPW2-0600-S008B,C2M0025120D,C2M0080170P,CPM2-1700-0080B,C2M0040120D,CPW4-1200-S020B,C4D05120A,C4D05120E,CPM3-0900-0010A,CAS120M12BM2

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型号- CAB011M12FM3

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