【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

时间： 2019-09-04 来源：Vincotech（世强编辑整理）

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两个因素正在改变先进电力转换系统-日益严格的能效标准，特别是在太阳能和UPS应用中，以及需要为用户控制的整体系统成本。这两个目标相当雄心勃勃，至少对于基于常规硅技术和有限开关能力的功率半导体来说是这样。相反，工程师经常会选择SiC（碳化硅）功率半导体。本文比较了基于升压器的SiC功率模块的效率和成本，还讨论了使用SiC技术的优点、缺点和挑战。

1.简介

由于其特殊性质，自从70年代初以来，研究人员一直在研究将SiC作为半导体材料。它能够提供：

· 高击穿场强（Si的十倍）

· 宽带隙（Si的三倍）

· 高导热性（Si的三倍）

上述性质对应用设计十分有利，使其能够在更小的器件面积中获得更高效率并且可在较高的频率和温度条件下工作。然而，SiC晶元的性质对批量生产造成了一些阻碍，因此直到二十世纪初，单晶SiC晶元才成为Si可行的替代品。

VINCOTECH十年前便成功推出了具有SiC肖特基二极管的第一个标准功率模块。SiC肖特基二极管实际上没有存储电荷，这降低了二极管本身甚至IGBT中的开关损耗。SiC肖特基二极管是当今许多应用的首选解决方案。但是，要充分发挥其市场潜力，需要进一步改善成本状况。

如今，研究人员和开发人员正在更多地使用SiC器件作为有源开关。SiC MOSFET展现出了极佳的动态特性，因为它具有极低的尾电流；而极低的导通电阻（RDSon）使其具有优异的静态特性。

2、升压功率模块中Si和SiC元件的比较

2.1、基础设置

该比较基于一个升压拓扑。图1给出了升压器的示意图。

图1 升压器原理图

本示例将介绍具有350 V输入电压和700 V输出电压的光伏系统的典型工作点。输入电流Iin和开关频率f可变。使用模拟软件Vincotech ISE进行计算。

此比较将针对以下标准Vincotech功率模块进行：

1）IGBT和Si二极管

flowBOOST 0（器件型号V23990-P629-F72-PM）：具有40 A/1200 V超快速IGBT和30A/1200V STEALTHTH二极管

2）IGBT和SiC二极管

flowBOOST 0（器件型号V23990-P629-F62-PM）：具有40 A/1200 V超快速IGBT和3x5 A/1200 V SiC二极管

3）SiC MOSFET和SiC二极管

flowBOOST 0 SiC（器件型号10-PZ12B2A045MR-M330L18Y）：具有45MΩ/1200V SiC MOSFET和4×10 A/1200V SiC二极管

2.2、效率比较

提高效率的第一步是用SiC二极管代替Si二极管。图2显示了IGBT带Si二极管或SiC二极管的模块效率比较。即使在> 4 kHz的开关频率下，SiC二极管的效率仍然明显增加。在16 kHz和5A输入电流下，损耗可从1.6％减半至0.8％。提高效率的第二步是使用SiC MOSFET代替IGBT（如图3），在相同的输入功率和开关频率下，损耗可以再次降低37％，从0.8％降至0.5％。SiC MOSFET的优点在> 32 kHz的开关频率下更加突出。给定相同的输入电流和64 kHz的开关频率，效率提高，损耗减少35％。

图2 IGBT开关带Si和SiC二极管的效率比较

图3 SiC二极管带IGBT和SiC MOSFET的效率比较

2.3、总功耗比较

以下图表还显示了在性能驱动应用中使用SiC元件比Si元件的好处。给定相同的损耗，例如总动态和静态损耗为50 W，开关频率为16 kHz，当使用SiC二极管代替Si二极管时，输出功率可以提高高达85％。给定相同的开关频率，如图5所示，通过使用SiC MOSFET代替Si IGBT可以提高50％的输出功率。

图4 IGBT开关带Si和SiC二极管的总损耗比较

图5 SiC二极管带IGBT和SiC MOSFET的总损耗比较

另一个有趣的比较是总损耗与开关频率的关系。与采用IGBT开关的Si二极管相比，SiC二极管与IGBT组合的开关频率可以从16 kHz增加到48 kHz，而开关损耗保持不变。SiC二极管/SiC MOSFET二极管的开关频率甚至可以提高到超过100 kHz。

3、使用SiC组件的挑战

当成本是新产品开发的推动力时，高价格标签使新技术难以获得市场份额。这是SiC半导体大规模推广的最大障碍。

技术挑战也需要得到解决，以充分利用SiC技术的优势。最重要的是，组装和绑定亚焊技术必须适应于SiC部件更高的性能要求。

4、总结

本文讨论了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。该模块包含具有SiC二极管和最新一代开关的三通道升压器拓扑，专为高效率驱动应用而设计，适用于太阳能市场。

技术顾问：Jerry

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crystal529 Lv5. 技术专家 2019-12-08

学习了
MR.XU Lv7. 资深专家 2019-12-07

学习
婉怡 Lv5. 技术专家 2019-12-06

学习学习
用户56731903 Lv9. 科学家 2019-12-05

学习！！！不错！！！
秋风扫落叶 Lv7. 资深专家 2019-12-04

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好运常伴吾 Lv8. 研究员 2019-12-03

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wmaxy86 Lv5. 技术专家 2019-12-03

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abc Lv4. 资深工程师 2019-12-02

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孟 Lv5. 技术专家 2019-12-02

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虹姐 Lv5. 技术专家 2019-12-02

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