電力電子中的碳化硅SiC

1、電力電子中的碳化硅SiCSiC in Power Electro nicsVolker Demuth, Head of Product Ma nageme nt Compo nent, SEMIKRON Germa ny據(jù)預(yù)測(cè)，采用 SiC的功率模塊將進(jìn)入諸如可再生能源、UPS電源、驅(qū)動(dòng)器和汽車(chē)等應(yīng)用。風(fēng)電和牽引應(yīng)用可能會(huì)隨之而來(lái)。到2021年，SiC功率器件市場(chǎng)總額預(yù)計(jì)將上升到10億美元1。在某些市場(chǎng)，如太陽(yáng)能，SiC器件已投入運(yùn)行，盡管事實(shí)上這些模塊的價(jià)格仍然比常規(guī)硅器件高。是什么使這種材料具有足夠的吸引力，即使價(jià)格更 高也心甘情愿地被承受？首先，作為寬禁帶材料，SiC提供了功率半導(dǎo)體器件

2、的新設(shè)計(jì)方法。傳統(tǒng)功率硅技術(shù)中，IGBT開(kāi)關(guān)被用于高于600V的電壓，并且硅PIN-續(xù)流二極管是最先進(jìn)的。硅功率器件的設(shè)計(jì)與軟開(kāi)關(guān)特性造成相當(dāng) 大的功率損耗。有了 SiC的寬禁帶，可設(shè)計(jì)阻斷電壓高達(dá)15kV的高壓MOSFET同時(shí)動(dòng)態(tài)損耗非常小。有了SiC，傳統(tǒng)的軟關(guān)斷硅二極管可由肖特基二極管取代，并帶來(lái)非常低的開(kāi)關(guān)損耗。作為一個(gè)額外的優(yōu)勢(shì)，SiC具有比硅高3倍的熱傳導(dǎo)率。連同低功率損耗，SiC是提高功率模塊中功率密度的一種理想材料。目前可用的設(shè)計(jì)是SiC混合模塊IGBT和SiC肖特基二極管和全 SiC模塊。SiC混合模塊SiC混合模塊中，傳統(tǒng)IGBT與SiC肖特基二極管一起開(kāi)關(guān)。 雖然SiC器

3、件的主要優(yōu)勢(shì)是與低動(dòng)態(tài)損耗 相關(guān)，但 首先討論SiC肖特基二極管的靜態(tài)損耗。通常情況下，SiC器件的靜態(tài)損耗似乎比傳統(tǒng)的硅器件更高。圖1.a顯示了傳統(tǒng)軟開(kāi)關(guān)600V賽米控CAL HD續(xù)流二極管的正向壓降 Vf，為低開(kāi)關(guān)損耗而優(yōu)化的快速硅二極管和 SiC肖特基二 極管，所有的額定電流為 10 A。wr in mV圖1.a中：25C和150C下不同續(xù)流二極管的正向電流與正向壓降。比照了 10A的SiC肖特基二極管，傳統(tǒng)的軟開(kāi)關(guān)硅二極管CAL HD和快速硅二極管硅快速。1.b :同一二極管的正向壓降和電流密度正向電流除以芯片面積SiC肖特基二極管的 Vf更高，而快速硅二極管展150°C 下

4、的Vf比2在10A的額定電流下，硅續(xù)流二極管展現(xiàn)出最低的正向壓降, 現(xiàn)出最高的正向壓降。正向電壓與溫度之間的關(guān)聯(lián)差異很大：快速硅二極管具有負(fù)的溫度系數(shù),5°C下的Vf低。對(duì)于12A以上的電流，CAL的溫度系數(shù)為正，SiC肖特基二極管即使電流為4A時(shí)，溫度系數(shù)也為正。由于二極管通常并聯(lián)以實(shí)現(xiàn)大功率器件，需要具有正溫度系數(shù)以防止并聯(lián)二極管中的電流不平衡和運(yùn)行溫度不 均勻。這里，SiC肖特基二極管顯示出最正確的性能。但與常規(guī)硅二極管相比，SiC肖特基二極管的靜態(tài)損耗較高。由于二極管是基于10A額定電流進(jìn)展比較的，考慮不同供應(yīng)商的器件之間有時(shí)不同的額定電流定義是很重要的。為 了更加深入地了解

5、器件性能，畫(huà)出電流密度正向電流除以芯片面積與正向壓降之間的關(guān)系是有用的，它考慮到 了芯片的面積。圖1.b顯示了等效電流密度，傳統(tǒng)硅二極管和SiC肖特基二極管具有非常相似的正向壓降，而快速硅二極管的Vf仍然是最高的。換句話(huà)說(shuō)，當(dāng)使用一樣的芯片面積時(shí)，硅二極管和SiC二極管具有可比的靜態(tài)損耗。通常SiC芯片尺寸更小，由于額度電流確實(shí)考慮到了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)損耗，額定電流，所以帶來(lái)較小的總損耗，因此縮 小了芯片的尺寸?？匆幌耂iC肖特基二極管的動(dòng)態(tài)損耗，可以清楚地看到SiC器件的主要優(yōu)點(diǎn)，見(jiàn)表1。CAL HD jl SiCSI-FASIg It XCV b I w ATj IdiJdt inA/us750

6、7007505,08.21.16o.craa0.26巴IT 0 ,rtmJQ.264二 0.0160.054表1:傳統(tǒng)硅續(xù)流二極管CAL HD、SiC肖特基二極管和快速硅二極管的動(dòng)態(tài)參數(shù)。所有二極管額定電壓1200V,額度電流10A,于常規(guī)硅二極管相比，SiC肖特基二極管的反向恢復(fù)電流Irr啜低50%A上，反向恢復(fù)電荷 Qr降低了 14倍，關(guān)斷損耗Eoff降低了 16倍。Si-快速二極管顯示了比常規(guī)硅二極管更好的特性，但它不會(huì)到達(dá)SiC肖特基二極管那樣的優(yōu)異動(dòng)態(tài)特性。由于SiC肖特基二極管動(dòng)態(tài)損耗低，可以顯著減少逆變器損耗，節(jié)約用于冷卻的開(kāi)支并且增加逆變器的功率密度。此外，低動(dòng)態(tài)損耗使SiC肖

7、特基二極管非常適合高開(kāi)關(guān)頻率。另一方面，快速開(kāi)關(guān)的續(xù)流二極管可能有個(gè)缺點(diǎn)，反向電流非常陡峭的下降可能導(dǎo)致電流截止和振蕩。在使用 硅二極管的情況下，電流截止是由軟關(guān)斷特性控制的。圖2比較了在CAL HD和SiC肖特基續(xù)流二極管的關(guān)斷特性。SiSiC圖2:硅二極管和SiC續(xù)流二極管關(guān)斷特性。SiC二極管的關(guān)斷損耗幾乎看不岀來(lái)。由于SiC二極管的關(guān)斷損耗小，反向電流迅速下降, 使得反向電流和電壓上的振蕩小。有了硅基CAL HD二極管，能夠觀(guān)測(cè)到 CAL硅續(xù)流二極管眾所周知的軟關(guān)斷行為。由于反向電流平滑地減小， 沒(méi)有看到電壓尖峰和振蕩。另一方面，軟關(guān)斷行為會(huì)帶來(lái)顯著的關(guān)斷損耗，因?yàn)楫?dāng)二極管上的電壓上升

8、時(shí)有相當(dāng)大 的反向電流流過(guò)。SiC肖特基二極管根本上沒(méi)有顯示出任何的反向恢復(fù)電荷，因此關(guān)斷損耗非常低。由于反向電流 的迅速減小，產(chǎn)生小的振蕩，可以在反向電流和壓降中見(jiàn)到紋波。在我們的例子中，SiC肖特基二極管的快速關(guān)斷行為通過(guò)優(yōu)化 DCB上的芯片布局和模塊的低雜散電感進(jìn)展處理。因此，電壓振蕩很小，不會(huì)導(dǎo)致顯著過(guò)電壓尖峰。因此，能夠管理快速開(kāi)關(guān)二極管的缺點(diǎn)，并通過(guò)優(yōu)化的模塊設(shè)計(jì)充分利用SiC肖特基二極管的優(yōu)點(diǎn)。圖 3中，通過(guò)比照傳統(tǒng)硅模塊和帶有快速硅IGBT和SiC肖特基二極管的SiC混合模塊顯示出 SiC二極管的優(yōu)點(diǎn)。000000005 0 5 0 5 0 53 3 2 2 11 <C一

9、匚巴一 ro In&noswitching frequency in kHz圖3:傳統(tǒng)硅三相橋模塊的輸岀電流1200V 450A溝道型IGBT+CA續(xù)流二極管和SiC混合三相橋模塊1200V 300A快速I(mǎi)GBT和SiC肖特基二極管。安裝在水冷散熱器上的SKiM93莫塊的熱損耗計(jì)算。正如所料，SiC肖特基二極管的優(yōu)異動(dòng)態(tài)特性顯著增加了模塊的輸出功率。給定芯片設(shè)置，該設(shè)置被選擇用于較高開(kāi)關(guān)頻率下實(shí)現(xiàn)最正確性能，30kHz下的可用輸出電流可以增加超過(guò)70%隨著開(kāi)關(guān)頻率的進(jìn)一步升高，混合SiC模塊所帶來(lái)的好處甚至更大。較低的損耗和由此而產(chǎn)生更大模塊級(jí)功率輸出可以以幾種方式被利用。逆變器的重量

10、和體積可顯著減少，這對(duì)諸如汽車(chē)和航空航天應(yīng)用很重要。利用高開(kāi)關(guān)頻率，采用較小的LC濾波器是可能的，這可以減少逆變器尺寸和本錢(qián)。最后但并非最不重要的是，更低的損耗在能效方面也是顯著的優(yōu)勢(shì)，對(duì)諸如太陽(yáng)能、UPS和汽車(chē)應(yīng)用很重要。全SiC模塊使用如SiC MOSFETS這樣的SiC開(kāi)關(guān)，可進(jìn)一步降低功率模塊的整體損耗。在表2中，比照了 1200V、25A的三相橋IGBT模塊和20A全SiC組件的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)損耗。25A IGBT6-pack Mini-SKiiP13AC12T420A Full-SiC6-pack Mini-SKiiP13ACM12V15Vce20A, 150 ° C1,8V

11、2,1 VEon150° C,20A, 600V2,7mJ0,9mJEoff1,9mJ0,3mJ表2： 1200V 25A IGBT模塊溝道型IGBT+CA二極管與20A全SiC模塊SiC MOSFE和 SiC肖特基二極管之間的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)損耗比照全SiC模塊的靜態(tài)損耗高17%而動(dòng)態(tài)損耗顯著降低：導(dǎo)通損耗低3倍，關(guān)斷損耗低超過(guò) 6倍。從而，一個(gè)完整的SiC模塊的可用輸出功率大大高于傳統(tǒng)的硅技術(shù)，特別是在較高的開(kāi)關(guān)頻率下，如圖4.a所示。Cm in圖4.a : 1200V 20A三相橋全SiC模塊和傳統(tǒng)1200V 25A三相橋IGBT模塊的輸岀功率Pout。4.b :輸岀功率除以芯片面積

12、表示所用 功率半導(dǎo)體的功率密度。熱損耗計(jì)算基于風(fēng)冷散熱器，40°的環(huán)境溫度。開(kāi)關(guān)頻率高于20KHz時(shí)，全SiC模塊的輸出功率比IGBT模塊高100%以上。此外，輸出功率對(duì)開(kāi)關(guān)頻率的依賴(lài) 也小。反過(guò)來(lái)，全 SiC功率模塊可用于非常高的開(kāi)關(guān)頻率，因?yàn)榕c10kHz時(shí)的輸出功率相比，40kHz時(shí)的輸出功率只低28%當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率低于 5kHz時(shí)，IGBT模塊顯示出較高的輸出功率。這是以全SiC的模塊中所用的 SiC芯片組是針對(duì)非常高的開(kāi)關(guān)頻率而優(yōu)化的。針對(duì)較低開(kāi)關(guān)頻率的優(yōu)化也是可能的。再次，通過(guò)考慮用于硅和SiC芯片的芯片面積，來(lái)處理這兩個(gè)模塊的功率密度是有用的。在圖4b中，輸出功率除以芯片面積

13、得到功率密度。全SiC模塊的功率密度比IGBT模塊要高得多，甚至在開(kāi)關(guān)頻率低于5kHz時(shí)。因此，通過(guò)使用更大的芯片面積來(lái)優(yōu)化用于低開(kāi)關(guān)頻率的全SiC模塊是可能的。只要SiC芯片尺寸適宜，SiC器件可以在廣泛的開(kāi)關(guān)頻率圍提供更高的輸出電流和輸出功率。大功率SiC器件大功率要求功率芯片和模塊大量并聯(lián)。目前，可以獲得額定電流高達(dá)200A的硅IGBT和傳統(tǒng)續(xù)流二極管，SiCMOSFE和肖特基二極管的最大額定電流迄今為止小于100A。因此，不得不并聯(lián)大量的 SiC晶片以實(shí)現(xiàn)大額定功率。考慮到SiC器件的快速開(kāi)關(guān)特性和振蕩趨勢(shì)，需要低電感模塊設(shè)計(jì)和DCB基板上優(yōu)化的芯片布局。在下文中，1200V、900A

14、全SiC模塊與1300A的常規(guī)硅模塊相比照。IGBT模塊利用2塊并聯(lián)的DCB基板，每個(gè)基板配有并聯(lián)的9個(gè)75A溝道IGBT，連同5個(gè)100A CAL續(xù)流二極管。為了獲得與SiC等效的功率輸出，并且由于可以獲得額定電流較低的SiC器件，全SiC模塊采用2塊DCB基板，每個(gè)基板配備有 23個(gè)20A SiC-MOSFET和34個(gè)13.5A SiC肖特 基續(xù)流二極管。全SiC模塊中，共有46個(gè)SiC MOSFET和 68個(gè)SiC肖特基二極管被并聯(lián)。 表1示給出了 Si和全S iC模塊根本數(shù)據(jù)的比照。1300A IGBT900A Full-SiCRhIGBT /0.040 K/W0.022 K/WSiC

15、-MOSFETRhDiode/SiC-Schottky0.056 K/W0.033 K/WVce900A, 150 °C1.7 V3.4 VEswitch150°C220mJ62mJ920A700AErr diode58mJ3,7mJ920A700A表3： 1200V 900A全 SiC模塊和其1300A IGBT等效器件的電氣與熱特性數(shù)據(jù)。比照熱數(shù)據(jù)，全SiC模塊顯示出比傳統(tǒng)硅模塊更低的熱阻。這是由于與Si相比，SiC具有更高的熱傳導(dǎo)率和更好的熱擴(kuò)散能力：在此布局中，4個(gè)SiC二極管芯片在一樣的空間上代替1個(gè)硅二極管。SiC器件更低的熱阻是特別重要的，因?yàn)樵谶@種情況下硅芯

16、片使用了21 cm2的總面積，而 全SiC模塊只用了 10 cm2。與硅模塊的通態(tài)損耗相比，全SiC模塊的通態(tài)損耗更高。SiC肖特基二極管的正向壓降也是這樣。全SiC模塊的動(dòng)態(tài)損耗非常低：SiC MOSFET的開(kāi)關(guān)損耗比硅IGBT低4倍，SiC肖特基二極管的損耗低 8-9倍。較低的動(dòng)態(tài)損耗和更好的散熱帶來(lái)相當(dāng)高的功率輸出，如圖5所示。圖5: 1200V 900A全SiC模塊和1300A IGBT莫塊輸岀電流的比照。熱損耗計(jì)算基于為風(fēng)冷散熱器，60°的環(huán)境溫度。即使在4kHz的低開(kāi)關(guān)頻率下，全 SiC模塊的優(yōu)點(diǎn)也是顯而易見(jiàn)的：可用輸出電流可提高85%再次，認(rèn)識(shí)到 SiC并不局限于非常高

17、開(kāi)關(guān)頻率是很重要的。換句話(huà)說(shuō)，與采用傳統(tǒng)硅IGBT技術(shù)相比，逆變器的模塊局部可小近2倍，這是一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，特別是在高功率應(yīng)用中，如風(fēng)力發(fā)電。多年來(lái)，風(fēng)力渦輪機(jī)的功率在增加，隨著標(biāo)準(zhǔn)功率約為 2-4MW風(fēng)電已裝機(jī)容量達(dá) 7.5MW可用于電源逆變器的空間仍然是受限的，減少逆變器的尺寸，不僅解決了空間問(wèn) 題，同時(shí)也減少了運(yùn)輸和安裝本錢(qián)?？偨Y(jié)在模塊層面上，SiC主要有兩個(gè)好處：更小的芯片尺寸和更低的動(dòng)態(tài)損耗。在系統(tǒng)層面上，這些優(yōu)勢(shì)可被以多 種方式利用。低動(dòng)態(tài)損耗帶來(lái)輸出功率的顯著增加，將提供減輕重量和減小體積的時(shí)機(jī)。值得一提的是，無(wú)需額外 的冷卻能力就可實(shí)現(xiàn)功率的增加。因?yàn)榕c硅器件相比，SiC帶來(lái)實(shí)際的損

18、耗減少，可能在一樣的冷卻條件下得到更高的輸出功率。低的功率損耗能提高能效，允許設(shè)計(jì)高效率的逆變器，例如用于太陽(yáng)能和UPS應(yīng)用。此外，低動(dòng)態(tài)損耗使得SiC器件非常適用于 20kHz以上的較高開(kāi)關(guān)頻率。利用高開(kāi)關(guān)頻率，可以減少LC濾波器的本錢(qián)和尺寸。根據(jù)所使用的芯片面積，在4kHz的低開(kāi)關(guān)頻率下也可以展示SiC的優(yōu)點(diǎn)。SiC的其它優(yōu)點(diǎn)涉與到增強(qiáng)的散熱和正溫度系數(shù)，這對(duì)并聯(lián)的的 SiC芯片很重要。所有這一切都使得SiC在廣泛的可能應(yīng)用圍成為非常有吸引力的材料。然而，SiC功率器件的價(jià)格仍然較高，造成混合和全 SiC模塊的價(jià)格比傳統(tǒng)的硅解決方案要高得多。這些較高的本錢(qián) 限制了市場(chǎng)準(zhǔn)入，SiC解決方案主要應(yīng)用于高端應(yīng)用中。本錢(qián)評(píng)估說(shuō)明，在許多應(yīng)用中，為了實(shí)現(xiàn)積極的商業(yè)案例，SiC模塊的價(jià)格必須高 2-3倍。在某些應(yīng)用中，較高的價(jià)格可能是