【技术大神】SiC功率器件的应用实例：替换Si好处立竿见影

时间： 2017-01-10 来源：技术大神活动文章

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电力电子行业的工程师们近几年一定被SiC这种半导体材料的功率器件刷屏了。笔者曾使用过SiC器件，因而进行过一番研究，下面叙述一些笔者对SiC及SiC器件的认识，给各位做个参考。

SiC及SiC功率器件
目前较为普遍的功率元件利用的是Si二极管、MOSFET及IGBT等晶体管。然而功率半导体材料正受到来自新一代材料SiC浪潮的冲击。这种材料作为凌驾于现有的Si材料之上的“节能王牌”而受到电力公司、汽车厂商及电机厂商等的莫大期待。通过将Si替换成SiC化合物半导体，使采用Si功率半导体元件无法实现的高效率及小型化成为可能。

SiC功率器件是怎么影响电气产品的
SiC由于独特晶体结构, 其禁带宽度达到2.2eV（2C-SiC）、3.3eV（3H-SiC），远高于GaAs（1.4eV）和Si（1.1eV）。宽禁带电力电子器件SiC具有以下特点及优势：

1）工作温度很高，理论结温值可达600℃，从而器件的冷却系统可大为简化。

2）SiC热导率高，达4.9W/cm℃，远远高于大多数半导体，室温时几乎高于所有金属，优势明显。

3）SiC硬度高于GaAs和Si，达到9级，仅次于金刚石；便于器件实施高密度、大功率集成。

4）电子饱和漂移速度高，达到2x107cm/s（SiC），适于高频工作。

5）击穿电场高达2x106V/cm（3H-SiC）为Si的8倍，能够实现高工作电压。

6）SiC的掺杂浓度可达1019/cm3，能够实现高电流密度。

7）本征载流子浓度低，（3H-SiC）为8.2x10-9cm3，便于管芯隔离。

8）抗辐照能力比GaAs和Si高1~2个数量级，开关损耗则低1~2个数量级。

图1所示为SiC功率器件对产品效率的影响统计图。据大量实验数据统计，在电力电子变换器中，仅将二极管替换为SiC二极管，变换器的损耗将下降15%~30%。若同时采用SiC二极管和SiC MOSFET，变换器的损耗将降低50%左右。

图1：SiC功率器件对产品效率的影响

SiC功率器件的应用实例

项目背景
新能源发电一直是研究的热点，尤其在电力设备短缺的偏远地区，采用新能源发电既可以直接给一定区域内的负载供电，也可以将电能反馈给电网，补给电网的能量。同时SiC器件的发展将带来变换器的新的变革，除了国外很多知名公司厂商、实验室等在研究和发展第三代宽禁带半导体材料及其应用，我国近几年也在积极研究相关技术，开展863项目，进行技术转化和产品国产化，促进国产SiC器件的发展。所以SiC功率器件代替Si器件是未来的发展趋势。

笔者曾根据市场需求及器件发展导向设计了一套应用SiC器件的光伏发电系统。

器件选型
为了形成Si器件和SiC器件的对比，笔者在器件选型过程中，尽量选择可互相替代的Si器件和SiC器件。同时为了达到产品的设计性能指标，笔者期望器件的损耗小、开关频率高、寄生参数小。在光伏发电系统的前级，笔者经过反复比较，选择了VINCOTECH公司的两款Boost模块，V23990-P629-F63-PM和V23990-P629-F73-PM。

笔者选择这两款器件的主要原因如下：
1）两个功率模块的外观尺寸、电路拓扑完全相同，可以互相替换。

2）V23990-P629-F63-PM模块中集成了SiC二极管，V23990-P629-F73-PM集成使用了普通二极管。

3）V23990-P629-F63-PM和V23990-P629-F73-PM的固有损耗很小，二者都能取得理想的效率。

4）两者都可以取得高开关频率，而且双Boost模块相当于电路倍频。笔者开关频率取18kHz时，实际可取得36kHz的优势。

5）两款器件都集成度高、体积小，而且功率密度可以很高。

6）两者都有很低的寄生参数，在高开关频率下依然可以取得低损耗。

器件应用结果
笔者在两个一模一样的电路板上分别焊装了V23990-P629-F63-PM和V23990-P629-F73-PM模块，并使用相同的控制电路板和控制程序，在相同输出功率下，对二者的特性进行了对比分析。图2所示为10kW电路的MPPT显示图，其满载效率分别为97.2%和96%。V23990-P629-F63-PM仅损耗271W左右，V23990-P629-F73-PM仅损耗398W左右。除了模块本身的损耗，电路中的磁性元件也会有部分损耗。但使用V23990-P629-F63-PM和V23990-P629-F73-PM均能达到很高的效率。且使用SiC可以有效地提高电路的效率。

图2：MPPT显示图

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全部评论（4）

小麦 Lv4. 资深工程师 2018-01-27

GaN的器件未来将会更好。高电压、大电流、高频等等
老子姓李 Lv7. 资深专家 2018-01-19

东西好，就是成本压力大。
用户51754434 Lv4. 资深工程师 2017-12-28

还不错！
喜欢笑的那个她 Lv7. 资深专家 2017-11-23

碳化硅是好东西，就是价格太贵了

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