【选型】 IGBT-SiC与IGBT-Si效率、损耗、成本对比分析

2019-05-18 Vincotech
IGBT-Si,IGBT-SiC,SiC MOSFET升压模块,flowBOOST 0 IGBT-Si,IGBT-SiC,SiC MOSFET升压模块,flowBOOST 0 IGBT-Si,IGBT-SiC,SiC MOSFET升压模块,flowBOOST 0 IGBT-Si,IGBT-SiC,SiC MOSFET升压模块,flowBOOST 0

效率和成本是决定功率转换系统发展的两个主要因素。它们总是相互制约关系,效率的提升总是会导致成本的升高,同样成本的降低也总会使效率下降,每个产品的开发其实是在寻找它们的平衡点。但是随着技术的发展,一个新技术的出现往往会将它们的平衡点提升一个台阶,SiC技术有望成为这个关键的新技术。SiC材料具有十倍于Si的击穿场强,三倍于Si的禁带宽度,十倍于Si的导热系数,在七十年代早期就已经被研究人员运用于半导体材料。SiC二极管已经被证明其性能优于Si二极管,但仍然没有在市场上大量推广,主要受限于过高的成本。

 

本文将分析Si和SiC器件应用于升压功率模块,对效率和损耗的影响,并最终影响整体成本。本文将以光伏系统一个基本的350V输入700V输出的升压拓扑电路为例,通过VINCOTECH公司仿真软件ISE进行计算,获得两种材料在不同工作点下的效率和损耗数据,然后对比并分析数据。图1为升压拓扑电路图,图中S为开关管,D为升压二极管。我们选择三种不同的开关管和二极管组合进行仿真对比,分别是:


1.Vincotech IGBT升压模块flowBOOST 0系列、型号V23990-P629-F72-PM,集成有40 A/ 1200 V 超快速IGBT 和30A/1200V  STEALTH  二极管(模块集成有两路升压电路时,对比我们只使用一路,三种组合都是如此),简称IGBT-Si组合。


2. Vincotech IGBT升压模块flowBOOST 0系列、型号V23990-P629-F62-PM,集成有40 A/ 1200 V 超快速IGBT,升压二极管采用3个5 A/ 1200 V SiC 二极管并联,简称IGBT-SiC组合。


3. Vincotech SiC MOSFET升压模块flowBOOST 0 SiC系列,型号10-PZ12B2A045MR-M330L18Y,集成有45mΩ/ 1200 V SiC MOSFET,升压二极管采用4个10 A/ 1200 V SiC 二极管并联,简称SiC-SiC组合。


 

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图1 升压拓扑电路图

 

我们通过四张曲线图来对比分析它们效率和损耗数据。图2是IGBT-Si和IGBT-SiC组合的效率曲线图,图3是IGBT-SiC和SiC-SiC组合的效率曲线图,图4是IGBT-Si和IGBT-SiC组合的损耗曲线图,图5是IGBT-SiC和SiC-SiC组合的损耗曲线图。图中横坐标皆为输入电流,曲线显示在不同工作频率下测得的数据。


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图2 IGBT-Si和IGBT-SiC组合的效率曲线图


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图3 IGBT-SiC和SiC-SiC组合的效率曲线图


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图4 IGBT-Si和IGBT-SiC组合的损耗曲线图


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图5 IGBT-SiC和SiC-SiC组合的损耗曲线图

 

分析曲线图,我们总结出以下几点:

1. IGBT-SiC与IGBT-Si组合相比,频率越高,SiC对效率提升的优势越明显,在16KHz、5A输入时,IGBT-SiC比IGBT-Si的损耗降低了一半。

2. SiC-SiC与IGBT-SiC组合相比,频率大于32KHz时优势更明显,64KHz时,效率提升了35%。

3.同样50W损耗,16KHz频率,IGBT-SiC比IGBT-Si能够多输出85%的功率。

4.同样的损耗和频率,SiC-SiC比IGBT-SiC能够大约多输出50%的功率。

5. IGBT-SiC与IGBT-Si组合相比,可以工作在更高的频率,频率从16KHz升高到48KHz时,IGBT-SiC的开关损耗基本保持不变。

6. SiC-SiC组合可以工作在高至100KHz频率。

7.整体上,SiC元件替换Si元件,损耗大约降低80%。

 

SiC功率半导体元件比Si元件,无任是动态性能还是静态性能,都有明显的优势,但其较高的成本制约了其大面积的市场应用。不过,我们应该很乐观看到,SiC二极管的价格从2011年至今已经下降了30~40%,未来3年仍将下降10%,SiC MOSFET 的价格预计未来3~4年将下降50%。尽管单独看SiC功率半导体元件比Si元件成本高,但是SiC可使功率模块工作频率升高,损耗降低,体积变小,散热成本降低,电感和电容的成本都会降低,整体考虑成本仍然非常乐观。

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目录- Introduction of Vincotech    Product Overview    RECTIFIER    SIXPACK    SIXPACK+RECTIFIER    SEVENPACK    PIM (CIB)    PIM+PFC (CIP)    IPM    HALF-BRIDG    H-BRIDG    SINGLE-PHASE-INVERTER    H6.5    BOOSTER    BUCK-BOOSTER    PFC    Three-Level NPC (I-Type)    Three-Level MNPC (T-Type)    Three-Level ANPC    Schematics/Housings    Naming System   

型号- 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描述- 该方案针对30~80kW的组串式光伏逆变器,采用多路BOOST升压电路,减少光伏电池组件最佳工作点与逆变器不匹配的情况,最大程度增加发电量。逆变侧采用T型三电平拓扑,开关频率支持16kHz(最佳频率点),效率最高可达98.54%。辅助电源采用1700V耐压SiC MOSFET,单端反激电源可直接应用在1000V母线系统。同时,在BOOST升压电路和逆变电路中均采用IGBT模块设计,集成度更高。

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

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优选器件方案  -  WEIDMUELLER,LITTELFUSE,LAIRD,SILICON LABS,CREE,RENESAS,VINCOTECH,STANDEX-MEDER,II-VI MARLOW,EPSON,PI,ROGERS,MELEXIS  - V1.1 PDF 中文 下载

Vincotech(威科) 功率模块V23990-P629-L4*-PM 数据手册

型号- V23990-P629-F629-PM,V23990-P629-L57-PM,V23990-P629-L49Y-PM,V23990-P629-L99-PM,V23990-P629-F63-PM,V23990-P629-L59-PM,V23990-P629-F44-PM,V23990-P629-F629Y-PM,V23990-P629-F46-PM,V23990-P629-L43Y,V23990-P629-L48Y-PM,P629L49Y,V23990-P629-F72-PM,V23990-P629-F48-PM,V23990-P629-L48-PM,V23990-P629-L63-PM,V23990-P629,V23990-P629-F628Y-PM,V23990-P629-L81-PM,V23990-P629-F56-PM,V23990-P729-F49-PM,V23990-P629-L63Y-PM,V23990-P629-L98-PM,FASTPACK 0 H,V23990-P629-L99Y-PM,V23990-P629-F62-PM,V23990-P629-L94-PM,P629L48,V23990-P629-L43-PM,P629L48Y,V23990-P629-F73-PM,V23990-P629-F89-PM,P629L49,V23990-P629-L94Y-PM,V23990-P629-L49-PM,V23990-P629-F54-PM,V23990-P629-L83-PM

数据手册  -  VINCOTECH  - Revision 3  - 2015年09月11日 PDF 英文 下载

【产品】超快开关频率的双Booster IGBT模块V23990-P629-L83-PM

Vincotech推出的V23990-P629-L83-PM是拥有超快开关频率以及低电感布局的双Booster IGBT功率模块,该模块由1200V Cree SiC MOSFET和1200V SiC二极管组成。升压开关的漏源电压为1200V,最高结温为175°C,升压二极管的峰值重复反向电压为1200V,重复峰值正向电流为52A。

新产品    发布时间 : 2019-10-25

【方案】高效率12kW组串式光伏逆变器优选元器件方案

描述- 本方案通过采用Vincotech的升压和逆变功率模块、Silicon Labs的电容隔离驱动器件及相关的产品,相比于分立器件方案,集成度高且寄生参数小,模块效率更高,同时能够提高系统稳定性和可靠性。

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

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

Vincotech(威科) 功率模块部分型号NTC变更通知

型号- V23990-P586-A208-PM,FLOWSOL 0 BI (T),V23990-P546-C29-PM,V23990-P840-A49Y-PM,10-FY07NPA200SM02-L366F08,V23990-P545-A28-PM,FLOWBOOST 0 SYM.,V23990-P586-A20-PM,FLOWSOL 0 BI (TL),V23990-P543-C29-PM,V23990-P543-A28-PM,V23990-P545-C29-PM,V23990-P545-A20-PM,V23990-P840-A59-PM,V23990-P543-A-PM,V23990-P586-A20Y-PM,V23990-P849-C48-PM,V23990-P849-A49-/3/-PM,V23990-P705-F-PM,10-FZ06NBA050SA-P915L33,V23990-P544-C38-PM,V23990-P546-C38-PM,V23990-P545-D139-PM,V23990-P545-A-PM,V23990-P545-A29-PM,V23990-P849-A48-PM,V23990-P546-A29-PM,V23990-P849-A48Y-/3/-PM,V23990-P543-C28-PM,V23990-P545-B138-PM,V23990-P840-A58-PM,V23990-P546-A38-PM,V23990-P543-A38-PM,V23990-P849-C49Y-PM,V23990-P705,V23990-P706,V23990-P544-A28-PM,V23990-P543,V23990-P586-C20Y-PM,V23990-P544,V23990-P545,V23990-P546,V23990-P840-C48-PM,V23990-P544-C29-PM,V23990-P706-F-PM,V23990-P544-A20-PM,V23990-P849-A48Y-PM,V23990-P544-A39-PM,V23990-P849-A48-/3/-PM,V23990-P545-C38-PM,V23990-P849-A49Y-PM,V23990-P849-C48Y-/3/-PM,V23990-P840-C49-PM,V23990-P849-A49Y-/3/-PM,FLOWNPC 0 IGBT,V23990-P849-C49-PM,FLOWPACK 0,V23990-P544-C39-PM,V23990-P545-C39-PM,V23990-P546-C39-PM,V23990-P543-C39-PM,V23990-P849,FLOW90PACK 1,10-FZ06BIA045FH-P897E,V23990-P545-D138-PM,10-FZ06BIA083FI-P896E,V23990-P840,FLOWPIM 1,FLOWPIM 0,V23990-P849-C48-/3/-PM,V23990-P586-C20-PM,V23990-P840-A49-PM,10-FZ06NBA030SA-P914L33,V23990-P545-A39-PM,V23990-P849-A58-PM,V23990-P546-C28-PM,FLOWNPC 1,10-FZ06NIA075SA-P926F33,V23990-P544-A29-PM,V23990-P543-A29-PM,V23990-P849-C48Y-PM,10-FY12M3A025SH-M746F08,V23990-P544-C28-PM,V23990-P545-C28-PM,V23990-P869-F48-PM,V23990-P840-A48-PM,V23990-P545-A38-PM,V23990-P544-A38-PM,V23990-P849-C49Y-/3/-PM,V23990-P869,V23990-P849-A49-PM,V23990-P546-A28-PM,V23990-P849-C49-/3/-PM,V23990-P586,V23990-P545-B139-PM,FLOW3XMNPC 1,V23990-P546-A39-PM,10-FZ06NBA075SA-P916L33,V23990-P543-C38-PM

产品变更通知及停产信息  -  VINCOTECH  - PCN-22-2015  - 2015年12月02日 PDF 英文 下载

【产品】600V/40A 双路Booster IGBT功率模块10-FZ06B2A040MF01-M575L28

Vincotech公司推出的10-FZ06B2A040MF01-M575L28 IGBT功率模块,击穿电压600V,额定电流40A,可应用于充电站、太阳能逆变器和UPS等。

新产品    发布时间 : 2019-09-18

V23990-P629-F62-PM / V23990-P629-F629-PM V23990-P629-F628Y-PM / V23990-P629-F629Y-PM

型号- V23990-P629-F629-PM,V23990-P629-F62-PM,V23990-P629-F628Y-PM,V23990-P629-F629Y-PM

技术文档  -  VINCOTECH  - Revision: 6  - 2018/02/03 PDF 英文 下载 查看更多版本

【产品】开关频率100kHz的H桥功率模块,助力高速开关电源

fastPACK 0 H系列650V系列采用英飞凌IGBT H5技术,成本、性能均兼顾。

新产品    发布时间 : 2017-04-17

【经验】Vincotech功率半导体模块中使用SiC组件时如何提高效率和开关频率?并同时减少损耗

Vincotech功率半导体模块中使用SiC组件时如何提高效率和开关频率的问题,同时减少太阳能逆变器等苛刻应用中的损耗。这些功率模块专门用于满足这些应用对于对称控制、散热和低电感连接的苛刻要求。除了用于比较的flowBOOST 0 SiC模块外,Vincotech正在加大新型flow3xBOOST 0 SiC的批量生产。

设计经验    发布时间 : 2019-09-04

【产品】带三通道升压电路的功率模块 开关频率高达100kHz

flow3xBOOST 0 SiC集成SIC MOSFET与SiC二极管,开关频率大于100kHz,阻抗低,损耗小,专为超高速切换频率而生。

新产品    发布时间 : 2017-02-14

【产品】采用SiC MOSFET芯片技术的功率模块,适用于大功率高频电源类应用

Vincotech推出的10-FY12B2A040MR-L387L68功率模块,采用Booster拓扑,集成了升压开关、升压二极管、旁路二极管及直流电容。由于内部集成温度传感器,可实时地对模块进行温度监测,避免温度过高对系统造成永久性的损坏。由于功率模块集成了用于提高开关性能的开尔文发射器,具有快速转换的突出优势,同时采用紧凑设计,并具有快速恢复能力。非常适用于太阳能、UPS等领域。

新产品    发布时间 : 2018-06-30

Vincotech(威科) Wolfspeed(Cree)SiC肖特基二极管生产工艺变更通知(PCN182017)

型号- V23990-P621-L48Y-/3/-PM,V23990-P629-L49Y-PM,10-PZ12B2C025FC01-M146L48Y,FLOWBOOST 0 SIC,10-PZ12NMA022ME,10-PZ12NMA022ME01-M345F61Y,10-PZ12NBC075SH02,FLOWSOL 1 BI (T),V23990-P629-F629Y-PM,10-FY12B2A040ME-L387L08,10-F012BBA040FV04-L628F189,10-PZ126PA080MI,10-EZ12B2A040ME01-L847L08T,V23990-K239,10-FZ06BIA150FI-P892E21-/3/,V23990-P620-L56Y-PM,10-PZ126PA080ME-M909F18Y,MINISKIIP PACK 2,FLOWSOL 0 BI (TL),10-PY078PC070FS-M725E18Y,10-PZ09NBC033ME02-L590L15Y,10-PZ123BA080ME11,10-FZ124PB080ME,V23990-P629-L94-PM,10-FZ06BIA070FS-P894E,V23990-K239-F43-/0A/-PM,V23990-P629-L83-PM,10-PZ12NMA022ME01,10-FY12B2A040ME,10-PW124BA040SH01-L427L03Y,FLOWPHASE 0,V23990-P629-F629-PM,10-EY12B2A027ME02-L078L18T,80-M3076PA100SC,10-PZ12B3A040SH-M479L18Y-/3/,10-PZ09B5A033ME01,10-FZ062TA099FH01-P980D28,10-FZ06BIA150FI,10-PZ12B5A075SH03-L590L08Y,10-EY12B2A027SH02,FLOWNPC 0 MOS,10-PZ12NBC075SH02-L590L03Y,10-EY12B2A027MI02-L078L28T,10-P0062TB070FS09,FLOWBOOST 0 DUAL,10-PZ12NBC080SH03-L590L88Y,10-PZ12NBC080SH03,10-PZ124PB080ME-M909F58Y,10-PZ12NBC080SH01,10-PZ09NBC033ME03,10-PY06NRA041FS-M413FY,10-PZ09NBC033ME02,10-PZ09NBC033ME04,10-P0062TB070FS09-M196D59Y,10-PZ06NBA041FS-P915L68Y,10-FZ07B2B040SM03,FLOWSOL 1 BI (TL),10-FZ07B2A019FS22,10-FZ122PA100SC02-P999F78,10-PZ12B2C025FC01,10-FY07BIA041MC-M528E58,10-PY078PC070FS,10-PZ12NMA027ME-M340F63Y,10-FZ06BIA041FS01-P898E10,FLOWBOOST 0 S+B,V23990-P621-L58Y-/3/-PM,80-M3076PA100SC-K804F48-/1A/,V23990-P629-F89-PM,V23990-P629-L94Y-PM,10-PY06HPA040SG-M758E08Y,10-PZ09NBC033ME04-L590L38Y,10-PZ12NBC080SH01-L590L48Y,FLOWPACK 0 SIC,V23990-P860-F449-PM,10-EZ12B2A040ME01,10-PZ12B5A075SH03,10-PZ12B2C040FR-M557L08Y,10-PZ09B5A033ME01-L590L18Y,V23990-P629-L43Y,V23990-P629-L48Y-PM,10-FX062TA099FS,FLOWPACK 0,10-EY07BIA030SM03-L035E18T,10-PW124BA040SH01,10-FZ06NRA099FS-P963F68,V23990-P629-F628Y-PM,V23990-P621-F68Y-PM,10-EY12B2A027SH02-L078L53T,FLOWMNPC 0 SIC,V23990-P629-L98-PM,V23990-P629-L99Y-PM,V23990-P629-F62-PM,10-PZ09B5A022ME02,V23990-P620-L57-PM,10-PY078PC037FS,10-PZ12NMA022ME-M345F62Y,V23990-P629-L49-PM,10-PZ12B2A040ME01-M330L63Y,10-PZ126PA080MI-M909F48Y,10-F0062TA099FS-P980D59,10-FZ07B2B030SM03-L273L58,FLOWNPC 1 MOS,V23990-P629-L57-PM,10-PW124BA040SH,10-PY06NRA021FS-M410FY,FLOW3XBOOST 0 SIC,10-FY06BIA080MF-M527E58,V23990-P629-L99-PM,V23990-P629-F63-PM,10-FZ07B2B030SM03,10-PY078PC037FS-M727E18Y,10-PZ12B2C040FR,V23990-P629-L48-PM,V23990-P629-L63-PM,10-PZ123BA080ME11-M909L183Y,V23990-P629,10-PW124BA040SH-L427L08Y,10-FZ124PB080ME-M909F58,10-PY06HPA040SG,10-FZ07B2B040SM03-L274L58,V23990-P621-F68-PM,V23990-P620,V23990-P621,10-PY06HPA040SG01,10-F012BBA040FV04,10-EY07BIA030SM03,10-PZ123BA080ME-M909L18Y,V23990-P629-L63Y-PM,10-FZ07B2A019FS22-L274L68,FASTPACK 0 H,V23990-P860,10-PZ12B3A040SH,10-PY06HPA040SG01-M758E18Y,10-FZ06BIA099FS-P893E,V23990-P629-L43-PM,10-EY12B2A027ME02,10-FX062TA099FS-P980D57,10-EY12B2A027MI02,10-PZ09B5A022ME02-L590L28Y,10-PZ09NBC033ME03-L590L13Y

产品变更通知及停产信息  -  VINCOTECH  - 2017年08月28日 PDF 英文 下载

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