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面向绿色改日--使用规模普及的高效SiC功率器件

来源:尊龙体育|尊龙体育APP手机版下载 发布时间:2021-09-27

  。应用范围涵盖多个功率等级,从空调,到电池充电器,到工业驱动,甚至到铁路牵引。本文讨论了不同应用的需求,重点介绍了三菱

  减少二氧化碳排放和合理使用电能是推动未来社会可持续发展的主要因素。SiC以其优越的物理性能节省更多的电能,同时使电力电子转换器体积更加紧凑,从而减少昂贵的材料和资源的消耗。

  SiC半导体材料与典型硅材料的主要区别是带隙较高。这使得SiC材料的临界场强提高了10倍。相应地,对于相同的阻断电压能力,SiC芯片可以做得更薄。因此,通态电阻和损耗也会降低。

  此外,由于更高的带隙,SiC MOSFET或SiC肖特基势垒二极管可以承受更高的阻断电压(例如:3300V或6500V)。由于开关速度快,这些单极性器件具有低开关损耗,使其适合于高开关频率应用。在许多应用中,高开关频率可以增加其它系统组件的功率密度,如滤波器、变压器或电机。因此,变流器变得更加紧凑,节省了材料和相关成本。

  自20世纪90年代以来,三菱电机在碳化硅器件和功率模块的生产和应用方面积累了丰富的经验。SiC功率半导体已经成功地完成了技术成熟周期,三菱电机的SiC产品得到了广泛的应用。今天,我们发现SiC产品在各个领域应用:从电动汽车充电器,到空调,到不间断电源,到工业驱动,甚至铁路牵引。这些不同的应用对SiC器件有着不同的要求。本文阐述了各种应用需求,并提出了相应的SiC解决方案。

  本文提到的的SiC器件采用三菱电机的第二代SiC芯片。这些芯片是在新的6英寸SiC晶圆上生产的。如图1所示,第二代SiC芯片采用增强平面栅MOSFET结构。特殊的JFET掺杂工艺能够改善通态电阻Ron,sp,同时减小MOSFET元胞宽度,如图2所示。这种增强型平面栅MOSFET技术的优异阻抗特性与图3所示的其他沟槽栅结构相比仍具有很强的竞争力。此外,JFET掺杂降低了反向传输电容Crss。这个电容影响SiC器件的开关速度。较小的Crss允许更高的开关速度,并提高抗寄生导通鲁棒性,下文将进一步解释。

  充电桩、空调或热泵等应用需要大批量生产能力、不同供应商之间的兼容封装和高达100A额定电流。

  对于此类应用,我们的解决方案是三菱电机N系列1200V第二代SiC分立器件,采用行业标准TO-247封装[1][2]。这种类型器件仍然是许多中小功率应用的首选,因为其灵活性:分立器件仅由一个MOSFET组成,使得可以构建任何类型的变流器拓扑。由于封装简单(参见图4)和大批量生产,它们可以提供具有成本优势的SiC技术。除了3端子封装,三菱电机还提供了4端子版本的TO-247封装。它进一步改善了开关特性,降低了30%的开关损耗[3]。表1显示了N系列SiC MOSFET器件列表。所有产品均按照三菱电机高品质标准进行测试,满足工业应用要求。此外,所有的分立器件可选符合AEC-Q101标准的版本,用于汽车应用。

  由于其低损耗,工业用N系列SiC MOSFET可以用于提高住宅用太阳能逆变器的效率,并减少笨重而昂贵的无源元件的尺寸。在快速充电的电池充电器中,SiC技术使系统更紧凑,同时更高效。

  在电动汽车中,符合AEC-Q101标准的SiC MOSFET可以减少车载电池充电器或DC/DC变换器中配套元件的尺寸和重量。

  N系列SiC MOSFET采用三菱电机的第二代平面栅碳化硅技术,优化了JFET掺杂。与前几代SiC技术相比,该技术具有一些优势。

  SiC材料的高击穿场强使得1200V级功率MOSFET具有低漂移层电阻(Rdrift)。但是,通态电阻的另一个重要组成部分是由MOSFET P阱之间的寄生JFET电阻。随着第二代SiC技术中JFET掺杂的引入,通态电阻特性得到了改善,使得更小的MOSFET元胞成为可能。

  影响MOSFET开关动作的一个重要因素是输入电容(Ciss)和反向传输电容(Crss)之间的比。分立SiC MOSFET的快速开关可能导致另外一个MOSFET的寄生导通,在最坏的情况下可能会导致灾难性的桥臂直通失效。通过降低Crss,可以得到1450mnC的优选值,即通态电阻与栅漏电荷的乘积。如图5所示,与传统器件相比,这提高了抗寄生导通鲁棒性约14倍,从而提高开关速度和降低开关损耗[1]。

  如图5所示,N侧MOSFET Q2的开通导致P侧MOSFET Q1处的dV/dt。此时栅极电流Ig通过Q1反向传输电容Crss流入栅极。如果这个电流在栅极电阻处引起电压超过栅极阈值电压Vgs(th),则MOSFET Q1寄生导通。电流Ig与Crss和dV/dt成正比。

  分立SiC MOSFET通常采用Tj=25C时测量的RDS(on)电阻进行初步比较。然而,在Tj=100C及以上的实际应用条件下,功率MOSFET的RDS(on)增加。在Tj=100C时,三菱电机N系列功率MOSFET的RDS(on)相对较低,仅增加了约10%。这减少了应用中的通态损耗,对比相同RDS(on)器件,三菱电机SiC MOSFET可以设计出更高输出功率的变流器。

  除了分立N系列SiC MOSFET,三菱电机还提供一系列匹配的SiC肖特基势垒二极管(SBD)。SBD通常具有比双极性二极管更低的正向电压VF。然而,低VF和高正向浪涌电流能力之间存在一个折衷关系。为了优化这两者,三菱电机开发了结势垒肖特基二极管(JBS)结构,其中除了肖特基接触外,还集成了一个PN结来处理高浪涌电流,如图6和图7所示。该系列包含额定电流为10A和20A的600V和1200V二极管,采用不同的分立器件封装形式(TO-247, TO-220FP-2, TO-263S)[4]。

  对于低功率逆变器,三菱电机引入了SiC DIPIPM功率模块,额定电压600V,额定电流为15A和25A。这类智能功率模块内部包含了相关的功率元件,如6个开关管和栅极驱动芯片,以构建紧凑型逆变器(参见图9)。这些智能功率模块集成保护功能,如短路保护、欠压保护或过温保护。如图8所示,该模块使用压铸模技术制造,从而保证了高生产效率和抗恶劣环境影响的鲁棒性。特别是每天几乎24小时运行的应用,如空调或泵机,通过应用SiC可以带来效率的提升。图10显示了与传统硅器件相比,在特定的工况下(VCC=300V, VD=18V(SiC) /15V(Si), fc=15kHz, PF=0.95, M=0.8, Io=1.5Arms, Tj=125C),变流器节省70%的功率损耗。

  一些应用,如不间断电源、快充或新能源发电通常需要比之前讨论的应用更高的电流额定值。因此,三菱电机开发了同样采用第二代芯片技术的SiC功率模块[5]。这些SiC模块为需要高输出电流的工业应用带来好处,其输出电流能力远超分立器件。三菱电机可提供1200V和1700V电压等级,更宽额定电流范围(高达1200A)的SiC模块。如图11所示,第二代SiC功率模块与第一代兼容,使现有客户在原有设计的基础上更容易开发。

  SiC模块的封装面积与三菱电机的NX系列Si功率模块相同:122 x 79.6 mm。然而,为了大幅降低封装的寄生回路电感,对端子进行了重新排列,从而更好地利用SiC技术的优点。此外,还优化了底板设计以及SiC MOSFET和SiC SBD芯片的排布,以改善封装内部的散热。

  集成先前描述的JFET掺杂技术的第二代SiC模块实现极低的功率损耗。与第一代相比,通态损耗和开关损耗均进一步降低[6]。

  三菱电机的实时控制(RTC)功能简化了短路保护的设计。当从IGBT转换为SiC MOSFET时,短路保护的设计是一个挑战,因为不能采用传统的退饱和检测法。为了克服这些限制,RTC电路利用集成在MOSFET上的电流传感器来检测短路。当检测到短路时,自动降低栅极电压以限制短路电流,增加短路耐受时间。使驱动器在接受到RTC电路反馈的短路信号时有足够的时间来进行保护。

  在高速列车运行中,SiC功率模块使牵引系统更高效、更紧凑。例如,SiC功率模块使新干线%,从而设计出更加灵活的列车车厢。牵引逆变器本身的体积减少了50%,这是由于SiC器件损耗更低,采用更简单的冷却系统[7]。

  除了牵引变流器,辅助变流器、充电机和DCDC变换器也会通过采用高开关频率运行的SiC功率模块而受益。增加开关频率通常会使无源元件(如变压器、电感或电容)的尺寸减小。此外,更高的开关频率可能允许使用不同的软磁芯材料,具有高效率和低成本的潜力。

  随着电压和额定功率的增加,铁路和电网的应用要求是高性能和高可靠性。三菱电机可提供高可靠性应用的商用大功率SiC模块,电压高达3.3kV。早在2015年,三菱电机就已经在高铁上应用了3.3kV 全SiC功率模块[10]。经过数年的现场运行,这些器件的鲁棒性也已经在实际工况下得到了证明。

  如图13所示,三菱电机可提供LV100封装3.3kV SiC功率模块。如图14所示,有两种不同电流等级的全SiC产品,额定电流分别为375A和750A。

  除了全SiC功率模块,三菱电机还提供混合SiC功率模块。采用同样的LV100封装,混合SiC模块额定电压3.3kV、额定电流600A。该器件集成了三菱电机的最新X系列硅高压IGBT和SiC二极管。与硅二极管相比,SiC二极管是没有反向恢复的。因此,二极管的开关损耗要小得多。此外,由于没有反向恢复电流,IGBT的开通损耗也减少了。如图15所示,IGBT的开通损耗降低了38%。这使得混合SiC功率模块成为相对较高的开关频率(例如约2kHz)下的理想候选器件。如果需要更高的开关频率和更低的损耗,那么全SiC功率模块是理想的选择。

  除了现有的SiC产品,三菱电机还将进一步发展SiC技术,使其在未来更具竞争力。其中一个研究课题是在MOSFET结构中集成SiC SBD二极管。一般情况下,需要SBD二极管来避免双极性电流流过MOSFET的体二极管。因此,像堆垛层错这样的退化效应可被抑制。为了在现有SiC功率模块中实现这一点,采用SiC SBD芯片与MOSFET芯片并联。在未来,将SBD结构集成到MOSFET芯片中,如图16所示。除了避免堆垛层错外,其它的好处是降低开关损耗和省略独立二极管芯片[11][12]。

  集成SBD的SiC MOSFET技术已用于6.5kV全SiC 样品[13]。该产品采用如图17所示的HV100封装,额定电流为400A。如图18所示,该器件的开关损耗小于硅IGBT器件的1/10。这为6.5 kV SiC器件在高开关频率应用提供了广阔的前景。

  本文表明,如今许多应用都能从碳化硅器件的优点受益,从而得到更高效、更紧凑的功率变换器。这些不同的应用对SiC器件有着不同的要求。三菱电机能够针对不同的应用提供不同的SiC产品。

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