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新型SiC功率模块以之Si IGBT,在更小的封装内提供更高的功率密度

发布时间:2019-11-08 责任编辑:wenwei

【导读】随着包括发电、储能和交通运输在内的众多应用转向电力驱动,需要构建更高性能的电力转换和控制系统,推进以电力驱动的系统的未来发展。为此,对于更紧凑、更高功率密度和可高温工作电源模块的需求变得越来越大。
 
直到最近,功率模块市场仍被硅(Si)绝缘栅双极型晶体管(IGBT)把持。需求的转移和对更高性能的关注,使得这些传统模块不太适合大功率应用,这就带来了 SiC 基功率器件的应运而生。新型 SiC 基器件比之 Si 基器件,能够在更小的空间内提供更高的电压和电流性能(功率),从而催生了具有最小寄生效应和可高温工作的高功率密度模块。
 
本文旨在对电源工程师和专业人员进行培训,帮助了解在现代电力电子应用中,电源模块采用最新 SiC 器件与采用传统 Si IGBT 的比较优势。本文概述了这两种技术的比较,并演示了三相逆变器参考设计应用中最新的全 SiC 功率模块的性能。
 
图 1:
新型SiC功率模块以之Si IGBT,在更小的封装内提供更高的功率密度
电力电子行业正经历着传统领域(交通运输和电源)以及新兴应用(例如电动汽车、可再生能源和数据中心)的快速增长。
 
功率模块电子产品的趋势
 
由于功率模块易于排布并且通常与符合行业标准的总线连接、控制/传感互连以及市售的散热器相兼容,因此在功率电子行业中,功率模块正越来越受欢迎。使用模块可使电源系统设计师专注于将电源系统发挥最大性能,而不必花费宝贵的工程时间来开发定制外壳、散热器、总线互连以及集成/调整感测和控制电子。
 
随着越来越多的应用以惊人的速度增长,更快速、更高效地开发电力系统的需求,比以往任何时候都更迫切(参见图 2)。对可再生能源系统、电动汽车、火车/轨道交通、更高效电网系统(包括电能存储)以及使数据中心和关键电气系统保持无缝运行的不间断电源(UPS)的需求,每年都在以两位数增长。
 
图 2:
新型SiC功率模块以之Si IGBT,在更小的封装内提供更高的功率密度
随着使用 SiC 材料和功率模块市场的持续增长,对 SiC 器件的需求也一直在增加。
 
新型 SiC 器件如何超越传统 Si IGBT
 
由于新应用对电源模块的需求越来越大,加之对已有应用的升级改造,所以对于增强电源模块的性能和技术能力存在着创新的机会。传统的电源模块由 Si IGBT 组成,已经存在了数十年。它们具有特定的封装形态,且这些 Si IGBT 功率模块的构造特征主导了人们对功率密度和构造限制的普遍预期。
 
但是,随着针对 SiC 进行了优化的新型电源模块的出现,这些标准和看法需要进行调整。最新的SiC 晶体管是采用 SiC 半导体开发的,其带隙电压几乎是 Si 的 3 倍,临界场达 10 倍以上、热导率超过 5 倍,且整个功率器件的品质因数远超 Si 的能力(见表 1)。
 
表 1:Si 和 SiC 半导体特性
新型SiC功率模块以之Si IGBT,在更小的封装内提供更高的功率密度
 
与双极结型晶体管相比,SiC 的优势加之与 MOSFET 型晶体管的使用相结合,使得新型全 SiC 功率器件能够在比同类 Si IGBT 尺寸小的器件中,实现高得多的电压和电流操作。而且,这些 SiC 器件能够提供比 Si IGBT 低得多(>5 倍)的开关损耗。因此,SiC 器件的开关速度可以设置为超出(通常为 10-50 kHz)Si IGBT 极限开关速度的几倍。与 Si IGBT 相比,SiC 器件的导通损耗更低,在轻负载下也可以实现更高效率。
 
创新将 SiC 功率模块推向商用市场
 
对于电源模块,电源设备本身只是故事的一部分。组件和附属电子电路的设计和集成功能也会极大地影响整个电源模块的性能和功能。因此,需要进行仔细的设计以优化功率器件的性能,包括使环路电感最小化、优化高温操作并考虑合适应用的互连复杂性。
 
Wolfspeed 通过其最新的 XM3 全 SiC 电源模块实现了所有这些功能,并集成了诸多特性,包括可减少电源模块的占位面积、提供更高的功率密度、降低物料成本、并且同时提高性能等。新型XM3 SiC 模块技术的许多特性类似于高度复杂的小批量定制生产系统,但 XM3 模块的设计目标是以极具竞争力的价格为大批量应用提供此类性能和特性。
 
图 3:
新型SiC功率模块以之Si IGBT,在更小的封装内提供更高的功率密度
Wolfspeed XM3 SiC 电源模块紧凑、功率密度高、且极其稳固耐用,使其非常适合各种大功率工业、轨道交通和汽车应用。
 
全 SiC 功率模块的巅峰之作
 
新型 XM3 电源模块(CAB450M12XM3)采用最新一代 Wolfspeed SiC MOSFET 裸片技术进行开发,并且实现了传导优化。该新一代功率模块具有高温工作和低环路电感特性,其单位面积具有极高的功率密度,超过了 Si IGBT 和其它 SiC 模块。这些模块的阻断电压在 450 A 的额定电流下可达到1200 V 的峰值额定值。
 
XM3 主要特性:
 
● 具有高功率密度(32 kW/L)的 100 kW 至 300 kW 峰值功率水平
● 高温(175°C)工作
● 低电感(6.7 nH)设计
● 大于 5 倍的更低开关损耗,从而实现更高的开关频率(10-50 kHz 典型值)
● 传导损耗低,无固有拐点电压,可提高轻载效率
● 在低侧开关位置(靠近外部 NTC 引脚位置)集成了温度传感器
● 内置电压感测(De-Sat/去饱和)连接,易于集成驱动器
● 偏置的中间端子布局允许简单和低电感的母线互连
● 高可靠性的氮化硅功率基板,增强功率循环能力,以满足苛刻的市场需求
 
尽管 XM3 模块具有出色的电气特性,但在设计时也考虑了高密度集成。这些新型 SiC 模块采用极为紧凑的 80 mm × 53 mm × 19 mm 模块封装构建,使其工作功率密度大于 30 kW/L,与其它同类额定功率模块相比,其封装尺寸减小了 60%。这一事实与优化的母线互连策略(可降低系统级寄生电感)相结合,可使功率模块效率超过 98%。
 
关键参考设计 — 300 kW 三相逆变器
 
XM3 SiC 电源模块的高功率密度和低环路电感可使许多应用受益。以下是 Wolfspeed 300kW 三相逆变器参考设计的描述,该逆变器非常适合电机和牵引驱动器、并网分布式发电和高效转换器。
 
图 4:
新型SiC功率模块以之Si IGBT,在更小的封装内提供更高的功率密度
该 300 kW 三相逆变器展示了采用 Wolfspeed 新型 XM3 模块平台获得的系统级功率密度和效率。该三相逆变器比之 Si 基设计,功率密度是其 2 倍以上,效率超过 98%。
 
遵循 XM3 电源模块的设计理念,该三相逆变器设计经过优化,以实现低电感、高载流量电路,从而降低了整个系统的成本和复杂性。此外,重叠的平面母线结构用于最大程度地减少额外电感的导入,并且用于减轻纹波的电容器也是低电感组件。这些因素使寄生电感最小,并允许在更高的效率水平下实现更快的开关速度。
 
与其它设计特性一道,包括 Wolverine™的微变形液冷却冷板,最终实现的逆变器尺寸为 279 mm ×291 mm × 155 mm、功率密度为 32.25 kW/L。该逆变器参考设计能提供 1.2 kV 的工作电压,并达到250 kW 的功率,而体积比 Wolfspeed 之前逆变器参考设计要小许多。此外,在实际测试中,尽管在测试过程中使用了极小的栅极电阻,采用 XM3 SiC 模块技术的三相逆变器设计仍表现出极低的开关损耗、极小振铃(见图 3 和图 4)。
 
图 5:
新型SiC功率模块以之Si IGBT,在更小的封装内提供更高的功率密度
关断(左)和导通(右)时,下部开关的开关波形。
 
图 6:
新型SiC功率模块以之Si IGBT,在更小的封装内提供更高的功率密度
关断(左)和导通(右)时,上部开关的开关波形。
 
SiC 模块的使用案例和应用
 
Wolfspeed 新型 XM3 SiC 电源模块经过设计适用于多种应用,包括现代电机和牵引驱动、不间断电源(UPS)和电动汽车(EV)充电机系统。此外,XM3 的紧凑型封装和优化的母线设计所实现的致密化,可使任何经历高磁场强度、需要大量输入和/或输出滤波器、功率水平介于 100 kW 和300 kW 之间的应用受益。
 
此外,原先使用 Si IGBT 模块、开关速度被限制在几千赫兹的系统,若借助全 SiC 模块,则可将开关速度提高几倍。它们包括:数据中心电源、工厂自动化系统以及其它具有较高系统级成本的场景,其中更高的效率和减少的模块数量可节省运营和系统级成本。此外,SiC MOSFET 裸片的物理耐用性和工作温度范围超过了 Si IGBT 裸片,且这些新型电源模块非常适合在极端环境和逐步电气化的苛刻应用(例如轨道交通、牵引和重型设备行业)中运行。
 
结论
 
伴随着电力电子行业的增长以及新生市场力量的推动下,对性能的要求已超出了 Si 基双极电源模块的技术极限。因此,Wolfspeed 已将其在 SiC 技术方面的卓越成就应用在其最新且功率密度最高的大批量和市售功率模块 — XM3 53 mm 全 SiC 功率模块。这些新型 XM3 模块具有尺寸紧凑、高温运行、快速开关速度和低电感设计等优势,正逢其时地为新兴的电机、转换器、逆变器和电源应用贡献了体积小得多、效率更高的电源系统。
 
参考文献
 
1. http://www.yole.fr/PowerElectrronics_IndustryOverview.aspx
2. High-Performance 300 kW 3-Phase SiC Inverter Based on Next Generation Modular SiC Power
Modules (IEEE)
3. Wolfspeed CAB450M12XM3 1200V/450A Silicon Carbide XM3 Half-Bridge Module
 
 
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