电力电子中的碳化硅SiC

1、电力电子中的碳化硅 SiCSiC in Power ElectronicsVolker Demuth, Head of Product Management Component, SEMIKRON Germany据预测，采用SiC的功率模块将进入诸如可再生能源、UPS电源、驱动器和汽车等应用。风电和牵引应用可能会随之而来。到2021年，SiC功率器件市场总额预计将上升到 10亿美元 1 。在某些市场，如太阳能， SiC 器件已投入运行，尽 管事实上这些模块的价格仍然比常规硅器件高。是什么使这种材料具有足够的吸 引力， 即使价格更高也心甘情愿地被接受？首先， 作为宽禁带材料， SiC 提供了功

2、率半导体器件的新设计方法。 传统功率硅技术中，IGBT幵关被用于高于600V的电 压，并且硅PIN-续流二极管是最先进的。硅功率器件的设计与软幵关特性造成相 当大的功率损耗。有了 SiC的宽禁带，可设计阻断电压高达15kV的高压MOSFET同时动态损耗非常小。有了SiC，传统的软关断硅二极管可由肖特基二极管取代，并带来非常低的开关损耗。 作为一个额外的优势， SiC 具有比硅高 3 倍的热传导率。 连同低功率损耗， SiC 是提高功率模块中功率密度的一种理想材料。 目前可用的设 计是SiC混合模块（IGBT和SiC肖特基二极管）和全 SiC模块。SiC 混合模块SiC混合模块中，传统IGBT与

3、SiC肖特基二极管一起幵关。虽然 SiC器件的 主要优势是与低动态损耗 相关，但首先讨论 SiC 肖特基二极管的静态损耗。通常 情况下，SiC器件的静态损耗似乎比传统的硅器件更高。图1.a显示了传统软幵关600V赛米控CAL HD续流二极管的正向压降 V,为低幵关损耗而优化的快速硅二极 管和 SiC 肖特基二极管，所有的额定电流为 10 A。图1.a中：25C和150C下不同续流二极管的正向电流与正向压降。对比了 10A的SiC肖特基二极管，传统的软开关硅二极管（CAL HD和快速硅二极管（硅快速）。1.b :同一二极管的正向压降和电流密度（正向电流除以芯片面积）。在10A的额定电流下，硅续流

4、二极管展现出最低的正向压降，SiC肖特基二极管的 Vf 更高，而快速硅二极管展现出最高的正向压降。正向电压与温度之间的关 联差别很大：快速硅二极管具有负的温度系数，150°C下的V比25°C下的Vf低。 对于12A以上的电流，CAL的温度系数为正，SiC肖特基二极管即使电流为 4A时， 温度系数也为正。由于二极管通常并联以实现大功率器件，需要具有正温度系数 以避免并联二极管中的电流不平衡和运行温度不均匀。这里，SiC肖特基二极管显示出最佳的性能。 但与常规硅二极管相比， SiC 肖特基二极管的静态损耗较高。 由 于二极管是基于10A额定电流进行比较的，考虑不同供应商的器件之

5、间有时不同的额定电流定义是很重要的。为了更加深入地了解器件性能，画出电流密度（正 向电流除以芯片面积） 与正向压降之间的关系是有用的， 它考虑到了芯片的面积。 图 1.b 显示了等效电流密度，传统硅二极管和 SiC 肖特基二极管具有非常相似的 正向压降，而快速硅二极管的 Vf 仍然是最高的。换句话说，当使用相同的芯片面 积时，硅二极管和SiC二极管具有可比的静态损耗。通常SiC芯片尺寸更小，由于额度电流的确考虑到了静态和动态损耗，额定电流，所以带来较小的总损耗， 因此缩小了芯片的尺寸。看一下SiC肖特基二极管的动态损耗，可以清楚地看到SiC器件的主要优点， 见表 1。表1传统硅续流二极管（CA

6、L HD、SiC肖特基二极管和快速硅二极管的动态参数。所有二极管额定电压1200V,额 度电流 10A。于常规硅二极管相比，SiC肖特基二极管的反向恢复电流 Irrm要低50%以上， 反向恢复电荷 Qr降低了 14倍，关断损耗Eoff降低了 16倍。Si-快速二极管显示了 比常规硅二极管更好的特性，但它不会达到 SiC 肖特基二极管那样的优异动态特 性。由于SiC肖特基二极管动态损耗低，可以显着减少逆变器损耗，节约用于冷 却的幵支并且增加逆变器的功率密度。此外，低动态损耗使SiC肖特基二极管非常适合高开关频率。另一方面，快速开关的续流二极管可能有个缺点，反向电流非常陡峭的下降 可能导致电流截止

7、和振荡。在使用硅二极管的情况下，电流截止是由软关断特性 控制的。图2比较了在CAL HD和SiC肖特基续流二极管的关断特性。图2:硅二极管和SiC续流二极管关断特性。SiC二极管的关断损耗几乎看不岀来。由于SiC二极管的关断损耗小，反 向电流迅速下降，使得反向电流和电压上的振荡小。有了硅基CAL HD二极管，能够观测到CAL硅续流二极管众所周知的软关断行 为。由于反向电流平滑地减小，没有看到电压尖峰和振荡。另一方面，软关断行 为会带来显着的关断损耗，因为当二极管上的电压上升时有相当大的反向电流流 过。 SiC 肖特基二极管基本上没有显示岀任何的反向恢复电荷， 因此关断损耗非常 低。由于反向电流

8、的迅速减小，产生小的振荡，可以在反向电流和压降中见到纹 波。在我们的例子中，SiC肖特基二极管的快速关断行为通过优化DCB上的芯片布局和模块的低杂散电感进行处理。因此，电压振荡很小，不会导致显着过电压尖 峰。因此，能够管理快速开关二极管的缺点，并通过优化的模块设计充分利用SiC肖特基二极管的优点。图 3中，通过对比传统硅模块和带有快速硅IGBT和SiC肖特基二极管的 SiC 混合模块显示岀 SiC 二极管的优点。图3:传统硅三相桥模块的输岀电流（1200V 450A沟道型IGBT+CA续流二极管）和SiC混合三相桥模块（1200V, 300A快速IGBT和SiC肖特基二极管）。安装在水冷散热器

9、上的SKiM93莫块的热损耗计算。正如所料，SiC肖特基二极管的优异动态特性显着增加了模块的输出功率。给定芯片设置，该设置被选择用于较高幵关频率下实现最佳性能，30kHz下的可用输出电流可以增加超过70%随着幵关频率的进一步升高， 混合SiC模块所带来的好 处甚至更大。较低的损耗和由此而产生更大模块级功率输出可以以几种方式被利 用。逆变器的重量和体积可显着减少，这对诸如汽车和航空航天应用很重要。利 用高幵关频率，采用较小的LC滤波器是可能的，这可以减少逆变器尺寸和成本。最后但并非最不重要的是，更低的损耗在能效方面也是显着的优势，对诸如太阳 能、UPS和汽车应用很重要。全SiC模块使用如SiC

10、MOSFET弦样的SiC幵关，可进一步降低功率模块的整体损耗。 在表2中，对比了 1200V、25A的三相桥IGBT模块和20A全SiC组件的静态和动 态损耗。25A IGBT6-pack Mini-SKiiP13AC12T420A Full-SiC6-pack Mini-SKiiP13ACM12V15VCE20A, 150 ° C1,8V2,1 VEon150° C,20A, 600V2,7mJ0,9mJEoff1,9mJ0,3mJ表2： 1200V 25A IGBT模块（沟道型IGBT+CA二极管）与20A全 SiC模块（SiC MOSFE和SiC肖特基二极管）之间 的

11、静态和动态损耗对比全SiC模块的静态损耗高17%而动态损耗显着降低：导通损耗低3倍，关断 损耗低超过6倍。从而，一个完整的 SiC模块的可用输出功率大大高于传统的硅 技术，特别是在较咼的幵关频率下，如图4.a所示。图4.a : 1200V 20A三相桥全SiC模块和传统1200V 25A三相桥IGBT模块的输岀功率Pout。4.b :输岀功率除以芯片面积表示所用功率半导体的功率密度。热损耗计算基于风冷散热器,40°的环境温度。幵关频率高于20KHz时，全SiC模块的输出功率比IGBT模块高100灿上。此 外，输出功率对幵关频率的依赖也小。反过来，全SiC功率模块可用于非常高的幵关频率

12、，因为与10kHz时的输出功率相比，40kHz时的输出功率只低28%当幵 关频率低于5kHz时，IGBT模块显示出较高的输出功率。 这是以内全SiC的模块中 所用的SiC芯片组是针对非常高的幵关频率而优化的。针对较低幵关频率的优化 也是可能的。再次，通过考虑用于硅和SiC芯片的芯片面积，来处理这两个模块的功率密度是有用的。在图 4b中，输出功率除以芯片面积得到功率密度。全 SiC 模块的功率密度比IGBT模块要高得多，甚至在幵关频率低于5kHz时。因此，通过使用更大的芯片面积来优化用于低幵关频率的全SiC模块是可能的。只要SiC芯片尺寸合适，SiC器件可以在广泛的幵关频率范围内提供更高的输出电

13、流和输出 功率。大功率SiC器件大功率要求功率芯片和模块大量并联。目前，可以获得额定电流高达200A的硅IGBT和传统续流二极管，SiC MOSFET和肖特基二极管的最大额定电流迄今为止 小于100A。因此，不得不并联大量的SiC晶片以实现大额定功率。考虑到 SiC器件的快速幵关特性和振荡趋势，需要低电感模块设计和DCB基板上优化的芯片布局。在下文中，1200V、900A全SiC模块与1300A的常规硅模块相对比。IGBT模 块利用2块并联的DCE基板，每个基板配有并联的9个75A沟道IGBT，连同5个100A CAL续流二极管。为了获得与 SiC等效的功率输出，并且由于可以获得额定 电流较低

14、的SiC器件，全SiC模块采用2块DCB基板，每个基板配备有23个20A SiC-MOSFE和 34个13.5A SiC肖特基续流二极管。全 SiC模块中，共有 46个S iC MOSFET和68个SiC肖特基二极管被并联。表 1示给出了 Si和全SiC模块基 本数据的对比。1300A IGBT900A Full-SiCRthIGBT /0.040 K/W0.022 K/WSiC-MOSFETRhDiode/SiC-Schottky0.056 K/W0.033 K/WVCE900A, 150 °C1.7 V3.4 VEswitch150°C220mJ62mJ920A700A

15、Err diode58mJ3,7mJ920A700A表3: 1200V 900A全SiC模块和其1300A IGBT等效器件的电气及热特性数据。对比热数据，全 SiC 模块显示出比传统硅模块更低的热阻。这是由于与Si 相比， SiC 具有更高的热传导率和更好的热扩散能力：在此布局中，4 个 SiC 二极管芯片在相同的空间上代替 1个硅二极管。SiC器件更低的热阻是特别重要的， 因为 在这种情况下硅芯片使用了 21 cm 的总面积，而 全 SiC 模块只用了 10 cm 。与硅模块 的通态损耗相比， 全 SiC 模块的通态损耗更高。 SiC 肖特基二极管的正向压降也是 这样。全SiC模块的动态损

16、耗非常低：SiC MOSFET勺幵关损耗比硅IGBT低4 倍, SiC 肖特基二极管的损耗低 8-9 倍。较低的动态损耗和更好的散热带来相当高的功率输出，如图 5 所示。图5: 1200V, 900A全SiC模块和1300A IGBT模块输岀电流的对比。热损耗计算基于为风冷散热器， 60°的环境温 度。即使在4kHz的低幵关频率下，全 SiC模块的优点也是显而易见的：可用输出 电流可提高 85%。再次， 认识到 SiC 并不局限于非常高开关频率是很重要的。 换句 话说，与采用传统硅IGBT技术相比，逆变器的模块部分可小近 2倍，这是一个优 点，特别是在高功率应用中，如风力发电。多年来

17、，风力涡轮机的功率在增加， 随着标准功率约为2-4MW风电已装机容量达7.5MW可用于电源逆变器的空间仍 然是受限的，减少逆变器的尺寸，不仅解决了空间问题，同时也减少了运输和安 装成本。总结在模块层面上， SiC 主要有两个好处： 更小的芯片尺寸和更低的动态损耗。 在 系统层面上，这些优势可被以多种方式利用。低动态损耗带来输出功率的显着增 加，将提供减轻重量和减小体积的机会。值得一提的是，无需额外的冷却能力就 可实现功率的增加。 因为与硅器件相比， SiC 带来实际的损耗减少， 可能在相同的 冷却条件下得到更高的输出功率。低的功率损耗能提高能效，允许设计高效率的 逆变器，例如用于太阳能和 UP

18、S应用。此外，低动态损耗使得 SiC器件非常适用 于20kHz以上的较高幵关频率。利用高幵关频率，可以减少LC滤波器的成本和尺寸。根据所使用的芯片面积，在 4kHz的低幵关频率下也可以展示 SiC的优点。Si C的其它优点涉及到增强的散热和正温度系数，这对并联的的SiC芯片很重要。所有这一切都使得 SiC 在广泛的可能应用范围内成为非常有吸引力的材料。然而， S iC功率器件的价格仍然较高，造成混合和全 SiC模块的价格比传统的硅解决方案 要高得多。这些较高的成本限制了市场准入， SiC 解决方案主要应用于高端应用中。 成本评估表明，在许多应用中，为了实现积极的商业案例，SiC模块的价格必须高2-3 倍。在某些应用中，较高的价格可能是可以承受的，因为像体积小、重量轻、 效率高等好处能胜