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通過轉(zhuǎn)向1700V SiC MOSFET,無需考慮功率轉(zhuǎn)換中的權(quán)衡問題

發(fā)布時(shí)間:2022-12-16 來源:Microchip 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】高壓功率系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員努力滿足硅MOSFET和IGBT用戶對(duì)持續(xù)創(chuàng)新的需求。基于硅的解決方案在效率和可靠性方面通常無法兼得,也不能滿足如今在尺寸、重量和成本方面極具挑戰(zhàn)性的要求。不過,隨著高壓碳化硅(SiC)MOSFET的推出,設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在有機(jī)會(huì)在提高性能的同時(shí),應(yīng)對(duì)所有其他挑戰(zhàn)。


在過去20年間,額定電壓介于650V至1200V的SiC功率器件的采用率越來越高,如今的1700V SiC產(chǎn)品便是在其成功的基礎(chǔ)上打造而成。技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)終端設(shè)備取得了極大的發(fā)展;如今,隨著額定電壓為1700V的功率器件的推出,SiC技術(shù)的眾多優(yōu)勢已惠及新興終端設(shè)備細(xì)分市場,包括電動(dòng)商用和重型車輛、輕軌牽引和輔助動(dòng)力、可再生能源以及工業(yè)傳動(dòng)等領(lǐng)域。


設(shè)計(jì)人員可借助適當(dāng)?shù)墓β势骷庋b和柵極驅(qū)動(dòng)最大程度地發(fā)揮1700V SiC MOSFET的優(yōu)勢,這樣便能在最寬的功率水平內(nèi)擴(kuò)大其相對(duì)于現(xiàn)有硅解決方案的優(yōu)勢。


低功率水平下的優(yōu)勢


在低至幾十至幾百瓦的功率下工作時(shí),1700V SiC MOSFET晶體管的優(yōu)勢開始展現(xiàn)。SiC技術(shù)是輔助電源(AuxPS)的理想解決方案,幾乎所有電力電子系統(tǒng)都使用AuxPS。如果沒有輔助電源,將無法為柵極驅(qū)動(dòng)器、檢測和控制電路或冷卻風(fēng)扇供電。由于它提供任務(wù)關(guān)鍵型功能,因此可靠性是AuxPS應(yīng)用的第一要?jiǎng)?wù)。


1700V SiC MOSFET幫助減輕AuxPS故障的方法之一是利用其高擊穿電壓、低比導(dǎo)通電阻和快速開關(guān)等特性。在這些特性的共同加持下,可極大簡化采用單開關(guān)反激拓?fù)涞碾娐吩O(shè)計(jì)(見圖1)。相比之下,基于硅的解決方案則面臨各種問題,包括額定電壓對(duì)于該拓?fù)涠赃^低(這就需要使用雙開關(guān)架構(gòu),導(dǎo)致故障風(fēng)險(xiǎn)加倍),或者需要犧牲性能才能達(dá)到額定電壓。此外,這類解決方案的供應(yīng)商數(shù)量較少,成本也高于SiC器件。


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圖1. 采用寬輸入單開關(guān)反激拓?fù)涞某R娸o助電源


1700V SiC MOSFET采用單開關(guān)反激拓?fù)?,便于?dāng)今的低功率隔離開關(guān)電源支持多種輸入和輸出要求。它們能夠接受范圍較寬的高壓直流輸入(300V至1000V)并輸出低壓(5V至48V)電源。單開關(guān)反激拓?fù)洳坏纳屏撕啽阈?,還減少了元件數(shù)量并降低了相關(guān)總成本。


除了可靠性提高、控制方案復(fù)雜度降低、元件數(shù)減少和成本下降以外,利用1700V SiC MOSFET的AuxPS的外形也更加小巧。SiC MOSFET的面積歸一化導(dǎo)通狀態(tài)電阻也稱為比導(dǎo)通電阻(Ron,sp),是硅MOSFET所呈現(xiàn)特性的一部分。這意味著小型芯片可以使用小型封裝,從而降低導(dǎo)通損耗,最終使散熱器的尺寸減小、費(fèi)用降低,甚至無需使用散熱器。SiC MOSFET的開關(guān)損耗也較低,這為通過增大開關(guān)頻率來縮減變壓器的尺寸、重量和成本提供了一種途徑。


圖2給出了各種SiC器件的效率隨輸出功率提高的程度。憑借當(dāng)今最高效的器件,系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員甚至能夠?qū)崿F(xiàn)被動(dòng)冷卻,即無需散熱器。


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圖2. 多款SiC器件與一款硅高壓MOS器件的效率—輸出功率曲線比較


隨著功率處理能力的提高,優(yōu)勢逐漸增多


隨著功率處理能力的提高,SiC技術(shù)更快速、更高效的開關(guān)性能的影響也在增加。當(dāng)功率范圍增加至幾十或幾百千瓦(kW)時(shí),SiC技術(shù)有許多應(yīng)用。圖3給出了功率為千瓦級(jí)的三相逆變器(本例中為75 kW)及其拓?fù)洹K?jīng)常應(yīng)用于EV牽引、EV充電器、太陽能逆變器、UPS和電機(jī)驅(qū)動(dòng)等領(lǐng)域。


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圖3. 上述千瓦級(jí)三相逆變器(包括功能部分和拓?fù)洌┑年P(guān)鍵優(yōu)先級(jí)依次為效率、可靠性和功率密度(尺寸減小且重量減輕)


圖4將此使用1700V低電感封裝功率模塊的逆變器設(shè)計(jì)的效率與替代功率半導(dǎo)體的效率進(jìn)行了比較。SiC模塊在10 kHz時(shí)的峰值效率可達(dá)99.4%。即使開關(guān)頻率變?yōu)樵瓉淼娜叮催_(dá)到30 kHz,SiC模塊的效率仍然高于硅IGBT。這樣一來,便可以替換掉更重、更昂貴的濾波器組件,使尺寸縮小至原來的三分之一。


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圖4. 10 kHz和30 kHz開關(guān)頻率下SiC解決方案與硅IGBT的效率比較


通常,與硅IGBT相比,MOSFET的開關(guān)損耗平均降低80%,這不但有助于轉(zhuǎn)換器提高開關(guān)頻率,還能替換掉更重、更昂貴的變壓器,從而縮小尺寸、減輕重量及降低成本。SiC MOSFET和硅IGBT在重載下的導(dǎo)通損耗相似,但考慮所謂的“輕載”條件其實(shí)更加重要,因?yàn)楹芏鄳?yīng)用在其大部分使用壽命期間都在輕載條件下運(yùn)行。處于遮陽結(jié)構(gòu)下或陰天時(shí)的太陽能逆變器,無風(fēng)天氣下運(yùn)行的風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)換器,通過運(yùn)輸輔助電源(APU)定期開/關(guān)的列車車門等,這些均處于輕載條件下。在這些用例中,與硅IGBT相比,SiC MOSFET的導(dǎo)通更低,這與它們減少的開關(guān)損耗相輔相成,設(shè)計(jì)人員可以減少甚至去除散熱或其他熱管理措施。


與低功率AuxPS應(yīng)用一樣,憑借在這種較高功率范圍內(nèi)使用的SiC MOSFET,設(shè)計(jì)人員可通過使用更簡單的電路拓?fù)浜涂刂品桨竵硖岣呖煽啃?。而這又有助于減少元件數(shù)并降低相關(guān)成本。在這些應(yīng)用中,中等功率電源轉(zhuǎn)換器的高功率傳輸需求需要使用通常介于1000V和1300V之間的較高直流總線電壓。為了最大程度提高效率,在此類高直流鏈路電壓下使用硅晶體管的設(shè)計(jì)人員過去不得不從一些復(fù)雜的三級(jí)電路架構(gòu)中進(jìn)行選擇。例如,二極管中性點(diǎn)鉗位(NPC)電路、有源NPC(ANPC)電路和T型電路。當(dāng)使用1700V SiC MOSFET時(shí),這種情況發(fā)生了改變,設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在可以使用器件數(shù)減半且控制方案顯著簡化的兩級(jí)電路。例如,之前在三級(jí)電路拓?fù)渲惺褂霉鐸GBT的系統(tǒng),現(xiàn)可在更可靠的兩級(jí)拓?fù)渲惺褂靡话霐?shù)量(或更少)的1700V SiC MOSFET模塊。


圖5給出了設(shè)計(jì)人員利用SiC技術(shù)大幅減少NPC、ANPC和T型電路的總器件數(shù)的顯著程度。如果完全不考慮在每個(gè)開關(guān)位置并聯(lián)的多個(gè)器件的好處,那么IGBT所使用的各種電路架構(gòu)的元件數(shù)將達(dá)到SiC解決方案的4至6倍。隨著器件數(shù)的大幅減少,柵極驅(qū)動(dòng)器的數(shù)量也相應(yīng)減少,這樣控制方案便得到了簡化。


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圖5. SiC技術(shù)能夠利用更簡單的兩級(jí)拓?fù)涮岣咝屎凸β拭芏?,同時(shí)增強(qiáng)可靠性。這樣,每相橋臂只需兩個(gè)器件加上兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器即可構(gòu)成75 kW三相逆變器,如上面的NPC、ANPC和T型電路示例中所示


邁向兆瓦級(jí)應(yīng)用


兆瓦級(jí)應(yīng)用涵蓋商用和重型車輛中的固態(tài)變壓器(SST)和中壓直流配電系統(tǒng)到牽引動(dòng)力單元(TPU)。其他應(yīng)用包括中央太陽能逆變器、海上風(fēng)能轉(zhuǎn)換器和艦載電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。圖6提供了模塊化多級(jí)轉(zhuǎn)換器的示例。


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圖6.模塊化多級(jí)轉(zhuǎn)換器


在處于此兆瓦級(jí)功率范圍的應(yīng)用中,上圖給出的固態(tài)變壓器轉(zhuǎn)換器使用多級(jí)串聯(lián)電源單元滿足電壓要求。每個(gè)單元可以是半橋單元或全橋單元。一些設(shè)計(jì)人員甚至?xí)x擇三級(jí)架構(gòu)。使用基于基本單元的模塊化解決方案有助于提高可擴(kuò)展性,同時(shí)最大程度地減少維護(hù)工作。這些單元有時(shí)稱為電力電子構(gòu)件或子模塊,它們配置為級(jí)聯(lián)H橋轉(zhuǎn)換器或模塊化多級(jí)轉(zhuǎn)換器(MMC)。


為了實(shí)現(xiàn)這些單元,設(shè)計(jì)人員過去使用1200V至1700V硅IGBT。將這些IGBT更換為1700V SiC MOSFET(單元級(jí))時(shí),產(chǎn)生的效果與低功率應(yīng)用中的描述相同:更出色的功率處理能力和電氣性能。1700V SiC MOSFET的低開關(guān)損耗可提高開關(guān)頻率。每個(gè)單元的尺寸大幅減小,并且1700V的高阻斷電壓可減少達(dá)到相同直流鏈路電壓所需的單元數(shù)。最終,這不但通過減少單元數(shù)提高了系統(tǒng)可靠性,同時(shí)還通過使用更少的有源開關(guān)和柵極驅(qū)動(dòng)器降低了成本。例如,當(dāng)在10 kV中壓配電線上運(yùn)行的固態(tài)變壓器中使用1700V SiC解決方案時(shí),與使用硅替代方案的變壓器相比,串聯(lián)單元數(shù)減少了30%。


功率器件封裝和適當(dāng)柵極驅(qū)動(dòng)的重要性


SiC MOSFET能夠以極高的速度進(jìn)行高功率開關(guān),因此必須減輕由此引起的次級(jí)效應(yīng),包括噪聲和電磁干擾(EMI),以及由寄生電感和過熱引起的有限短路耐受時(shí)間和過壓。典型中等功率電源轉(zhuǎn)換器可在1 μs內(nèi)關(guān)閉1000V–1300V總線上的幾百安電流。


Microchip提供能夠大幅減小寄生電感的SiC MOSFET模塊封裝選項(xiàng)。其中包括雜散寄生電感低至2.9納亨(nH)以下的半橋封裝,這種封裝可最大程度地提高電流、開關(guān)頻率和效率(見圖7)。這類封裝還提供更高的功率密度和小巧的外形,并聯(lián)少量模塊即可構(gòu)建完整系統(tǒng),有助于進(jìn)一步減小設(shè)備的尺寸。


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圖7. 當(dāng)今的SiC模塊為設(shè)計(jì)人員提供了多種封裝選項(xiàng),包括雜散電感低至2.9 nH以下的半橋選項(xiàng)(如上所示)


除了最大程度地減小封裝電感和優(yōu)化系統(tǒng)布局以外,設(shè)計(jì)人員還可使用專門設(shè)計(jì)的全新柵極驅(qū)動(dòng)方法來減輕SiC MOSFET快速開關(guān)引起的次級(jí)效應(yīng)。與傳統(tǒng)模擬方案相比,當(dāng)今的可配置智能快速反應(yīng)數(shù)字柵極驅(qū)動(dòng)器最高可將漏極-源極電壓(VDS)過沖降低80%,開關(guān)損耗降低50%。此外,這類驅(qū)動(dòng)器還能使上市時(shí)間最多縮短6個(gè)月,并且提供全新的增強(qiáng)型開關(guān)功能。


憑借這些功能,設(shè)計(jì)人員可探索各種配置并將其重復(fù)用于不同的柵極驅(qū)動(dòng)器參數(shù),例如柵極開關(guān)配置文件、系統(tǒng)關(guān)鍵型監(jiān)視器和控制器接口設(shè)置。它們能夠快速微調(diào)柵極驅(qū)動(dòng)器來支持多種不同的應(yīng)用,而無需對(duì)硬件進(jìn)行任何修改,從而縮短從評(píng)估到生產(chǎn)的開發(fā)時(shí)間。它們還能夠根據(jù)需要和/或在SiC MOSFET性能降低時(shí)在設(shè)計(jì)過程中更改控制參數(shù),以及現(xiàn)場更改開關(guān)配置文件。


當(dāng)今的SiC MOSFET產(chǎn)品也是綜合SiC生態(tài)系統(tǒng)的一部分,可滿足從評(píng)估一直到生產(chǎn)的各種需求。其中包括可定制的模塊選項(xiàng)以及數(shù)字柵極驅(qū)動(dòng)器,用戶只需單擊鼠標(biāo)即可優(yōu)化系統(tǒng)性能及縮短上市時(shí)間。其他生態(tài)系統(tǒng)元件包括參考模塊適配器板、SP6LI低電感功率模塊、安裝硬件以及熱敏電阻和直流電壓連接器,再加上可配置軟件的編程工具包。配套的分立式產(chǎn)品完善了生態(tài)系統(tǒng)。


眾多優(yōu)勢


在從數(shù)瓦到數(shù)兆瓦的眾多功率變換應(yīng)用中,高壓SiC MOSFET正在推動(dòng)設(shè)計(jì)人員超越硅解決方案的各種限制,從而推動(dòng)功率變換系統(tǒng)開發(fā)領(lǐng)域的創(chuàng)新。在應(yīng)用到功率轉(zhuǎn)換器和功率系統(tǒng)時(shí),它們能夠提高可靠性和效率,同時(shí)降低成本、減小尺寸并減輕重量。與智能數(shù)字柵極驅(qū)動(dòng)配合使用時(shí),1700V SiC MOSFET可發(fā)揮最大價(jià)值。Microchip提供豐富且可靠耐用的SiC元件產(chǎn)品組合,這些產(chǎn)品以芯片、分立元件和功率模塊以及數(shù)字柵極驅(qū)動(dòng)器解決方案的形式提供,讓設(shè)計(jì)人員能夠輕松、快速且自信地采用SiC。


來源:Microchip

作者:Xuning Zhang和Kevin Speer



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