電力電子中的碳化硅SiC

1、電力電子中的碳化硅SiCSiC in Power EleCtro nicsVaIker Demuth, Head of PrOdUCt Ma nageme nt Compo nent, SEMlKRoN Germa ny據(jù)預測，采用 SiC的功率模塊將進入諸如可再生能源、UPS電源、驅(qū)動器和汽車等應用。風電和牽引應用可能會隨之而來。到2021年，SiC功率器件市場總額預計將上升到10億美元1。在某些市場，如太陽能，SiC器件已投入運行，盡管事實上這些模塊的價格仍然比常規(guī)硅器件高。是什么使這種材料具有足夠的吸引力，即使價格更 高也心甘情愿地被接受？首先，作為寬禁帶材料，SiC提供了功率半導體器件

2、的新設計方法。傳統(tǒng)功率硅技術(shù)中，IGBT開關(guān)被用于高于600V的電壓，并且硅PIN-續(xù)流二極管是最先進的。硅功率器件的設計與軟開關(guān)特性造成相當 大的功率損耗。有了 SiC的寬禁帶，可設計阻斷電壓高達15kV的高壓MOSFET同時動態(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，并帶來非常低的開關(guān)損耗。作為一個額外的優(yōu)勢，SiC具有比硅高3倍的熱傳導率。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。目前可用的設計是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關(guān)。 雖然Si

3、C器件的主要優(yōu)勢是與低動態(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)軟開關(guān)600V賽米控CAL HD續(xù)流二極管的正向壓降 Vf ,為低開關(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。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。對比了 10A的SiC肖特基二極管，傳統(tǒng)的軟開關(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）。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，SiC肖特基

4、二極管的 Vf更高，而快速硅二極管展現(xiàn)出最高的正向壓降。正向電壓與溫度之間的關(guān)聯(lián)差別很大：快速硅二極管具有負的溫度系數(shù)，150°C下的Vf比25°C下的X低。對于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，溫度系數(shù)也為 正。由于二極管通常并聯(lián)以實現(xiàn)大功率器件，需要具有正溫度系數(shù)以避免并聯(lián)二極管中的電流不平衡和運行溫度不均勻。這里，SiC肖特基二極管顯示出最佳的性能。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額定電流進行比較的，考慮不同供應商的器件之間有時不同的額定電流定義是很重要的。為 了更加深入地了解器

5、件性能，畫出電流密度（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。換句話說，當使用相同的芯片面積時，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，由于額度電流的確考慮到了靜態(tài)和動態(tài)損耗，額定電流，所以帶來較小的總損耗，因此縮 小了芯片的尺寸?？匆幌耂iC肖特基二極管的動態(tài)損耗，可以清楚地看到SiC器件的主要優(yōu)點，見表,lm 瞎口 IlTl帶 mTJe7flUUI;* IlIr3 CTIIlnIT；I!制CAL HDSiUSiT

6、ASTUlIEctt In/IH- L-J U Hl'L 闔O V1 1 W A-總 93TC750TOOTdu Fji;m In AHSS1O8,2； 二'':, :!：!，, I" ： .!" , ： , *!,：,：J口fw m PCOBO980.J6EIr IsinTt iT RInLJ： ¢,284 *：,0Clfi0,024 II.g.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電流IRR慶低50%

7、A上，反向恢復電荷 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，但它不會達到SiC肖特基二極管那樣的優(yōu)異動態(tài)特性。由于 SiC肖特基二極管動態(tài)損耗低，可以顯著減少逆變器損耗，節(jié)約用于冷卻的開支并且增加逆 變器的功率密度。此外，低動態(tài)損耗使SiC肖特基二極管非常適合高開關(guān)頻率。另一方面，快速開關(guān)的續(xù)流二極管可能有個缺點，反向電流非常陡峭的下降可能導致電流截止和振蕩。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.V 1 <V4； 11RFW 4r: &qu

8、ot;rv£1E + AflN 4 JQRtSfTr-i-r=HW rt*f 7M-=W 林科 ZQntt.2t-H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。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，能夠觀測到 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， 沒有看到電壓尖峰和振蕩。另一方面，軟關(guān)斷行為會帶來顯著的關(guān)斷損耗，因為當二極管上的電壓上升時有相當大 的反向電流流過。SiC肖特基二極管基本上沒有顯示出任何的反向恢復電荷，因此關(guān)斷損耗非常低。由于反向電流 的迅速

9、減小，產(chǎn)生小的振蕩，可以在反向電流和壓降中見到紋波。在我們的例子中，SiC肖特基二極管的快速關(guān)斷行為通過優(yōu)化 DCB上的芯片布局和模塊的低雜散電感進行處理。因此，電壓振蕩很小，不會導致顯著過電壓尖峰。因此，能夠管理快速開關(guān)二極管的缺點，并通過優(yōu)化的模塊設計充分利用SiC肖特基二極管的優(yōu)點。圖 3中，通過對比傳統(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。SOoOoooO0 5 0 5 0 53 3 2 2 II £1 匚巴號UIndlnO+70%10203040 So 6070switching frequency in kHz圖3:傳統(tǒng)

10、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IGBT和SiC肖特基二極管）。安裝在水冷散熱器上的SKiM93模塊的熱損耗計算。正如所料，SiC肖特基二極管的優(yōu)異動態(tài)特性顯著增加了模塊的輸出功率。給定芯片設置，該設置被選擇用于 較高開關(guān)頻率下實現(xiàn)最佳性能，30kHz下的可用輸出電流可以增加超過 70%隨著開關(guān)頻率的進一步升高，混合 SiC模塊所帶來的好處甚至更大。較低的損耗和由此而產(chǎn)生更大模塊級功率輸出可以以幾種方式被利用。逆變器的重 量和體積可顯著減少，這對諸如汽車和航空航天應用很重要。利用高開關(guān)頻率，采用較小的L

11、C濾波器是可能的，這可以減少逆變器尺寸和成本。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，對諸如太陽能、UPS和汽車應用很重要。全SiC模塊使用如SiC MoSFETS這樣的SiC開關(guān)，可進一步降低功率模塊的整體損耗。在表2中，對比了 1200V、25A的三相橋IGBT模塊和20A全SiC組件的靜態(tài)和動態(tài)損耗。25A IGBT6-pack Mini-SKiiP13AC12T420A Full-SiC6-pack Mini-SKiiP13ACM12V15VCE20A, 150 °C1,8V2,1 VEON150° C,20A, 600V2,7mJ0,9mJEO

12、FF1,9mJ0,3mJ表2: 12OoV 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)和動態(tài)損 耗對比全SiC模塊的靜態(tài)損耗高17%而動態(tài)損耗顯著降低：導通損耗低3倍，關(guān)斷損耗低超過 6倍。從而，一個完整的SiC模塊的可用輸出功率大大高于傳統(tǒng)的硅技術(shù)，特別是在較高的開關(guān)頻率下，如圖4.a所示。f.*wtM4IVW In khU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P°ut。4.b :輸岀功率除以芯片面積表示所用 功率半導體的功率密度。熱損耗計

13、算基于風冷散熱器，40°的環(huán)境溫度。開關(guān)頻率高于20KHz時，全SiC模塊的輸出功率比IGBT模塊高100%以上。此外，輸出功率對開關(guān)頻率的依賴 也小。反過來，全 SiC功率模塊可用于非常高的開關(guān)頻率，因為與10kHz時的輸出功率相比，40kHz時的輸出功率只低28%當開關(guān)頻率低于 5kHz時，IGBT模塊顯示出較高的輸出功率。這是以內(nèi)全SiC的模塊中所用的 SiC芯片組是針對非常高的開關(guān)頻率而優(yōu)化的。針對較低開關(guān)頻率的優(yōu)化也是可能的。再次，通過考慮用于硅和SiC芯片的芯片面積，來處理這兩個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得到功率密度。全SiC模塊的功率密度比

14、IGBT模塊要高得多，甚至在開關(guān)頻率低于5kHz時。因此，通過使用更大的芯片面積來優(yōu)化用于低開關(guān)頻率的全SiC模塊是可能的。只要SiC芯片尺寸合適，SiC器件可以在廣泛的開關(guān)頻率范圍內(nèi)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晶片以實現(xiàn)大額定功率?？紤]到SiC器件的快速開關(guān)特性和振蕩趨勢，需要低電感模塊設計和DCE基板上優(yōu)化的芯片布局。在下文中，1200V、900A全SiC模塊與1300A的常規(guī)硅模

15、塊相對比。IGBT模塊利用2塊并聯(lián)的DCB基板，每個基板配有并聯(lián)的9個75A溝道IGBT,連同5個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，每個基板配備有 23個20A SiC-MOSFET和 34個13.5A SiC肖特 基續(xù)流二極管。全SiC模塊中，共有46個SiC MOSFET和 68個SiC肖特基二極管被并聯(lián)。表1示給出了 Si和全SiC模塊基本數(shù)據(jù)的對比。1300A IGBT900A Full-SiCRhIGBT /0.040 K/W0.022 K/WSiC-MOSFETRhDiode/SiC

16、-SChOttky0.056 KIW0.033 KIWVCE900A, 150 °C1.7 V3.4 VESWitCh150°C220mJ62mJ920A700AErr diode58mJ3,7mJ920A700A表3: 12OoV 900A全SiC模塊和其1300A IGBT等效器件的電氣及熱特性數(shù)據(jù)。對比熱數(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具有更高的熱傳導率和更好的熱擴散能力：在此布局中，4個SiC二極管芯片在相同的空間上代替1個硅二極管。SiC器件更低的熱阻是特別重要的，因為在這種情況下硅芯片使用了21 cm2的總面積，而 全S

17、iC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模塊的動態(tài)損耗非常低：SiC MOSFET的開關(guān)損耗比硅IGBT低4倍，SiC肖特基二極管的損耗低 8-9倍。較低的動態(tài)損耗和更好的散熱帶來相當高的功率輸出，如圖5所示。馳M騎相歸“圖5: 1200V, 900A全 SiC模塊和1300A IGBT模塊輸岀電流的對比。熱損耗計算基于為風冷散熱器，60°的環(huán)境溫度。即使在4kHz的低開關(guān)頻率下，全 SiC模塊的優(yōu)點也是顯而易見的：可用輸出電流可提高85%再次，認識到 SiC并不局限于非常高開關(guān)頻率是很重要的。換

18、句話說，與采用傳統(tǒng)硅IGBT技術(shù)相比，逆變器的模塊部分可小近2倍，這是一個優(yōu)點，特別是在高功率應用中，如風力發(fā)電。多年來，風力渦輪機的功率在增加，隨著標準功率約為 2-4MW風電已裝機容量達 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 題，同時也減少了運輸和安裝成本?？偨Y(jié)在模塊層面上，SiC主要有兩個好處：更小的芯片尺寸和更低的動態(tài)損耗。在系統(tǒng)層面上，這些優(yōu)勢可被以多 種方式利用。低動態(tài)損耗帶來輸出功率的顯著增加，將提供減輕重量和減小體積的機會。值得一提的是，無需額外的冷卻能力就可實現(xiàn)功率的增加。因為與硅器件相比， SiC 帶來實際的損耗減少，可能在相同的

19、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，允許設計高效率的逆變器，例如用于太陽能和UPS應用。此外，低動態(tài)損耗使得SiC器件非常適用于 20kHz以上的較高開關(guān)頻率。利用高開關(guān)頻率，可以減少LC濾波器的成本和尺寸。根據(jù)所使用的芯片面積，在4kHz的低開關(guān)頻率下也可以展示SiC的優(yōu)點。SiC的其它優(yōu)點涉及到增強的散熱和正溫度系數(shù)，這對并聯(lián)的的SiC芯片很重要。所有這一切都使得 SiC在廣泛的可能應用范圍內(nèi)成為非常有吸引力的材料。 然而， SiC 功率器件的價格仍然較高，造成混合和全 SiC 模塊的價格比傳統(tǒng)的硅解決方案要高得多。這些較高的成 本限制了市場準入， SiC 解決方案主要應用于高端應用中。成本評估表明，在許多應用中，為了實現(xiàn)積極的商業(yè)案 例， SiC 模