【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?；诠璧慕鉀Q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(shì)已惠及新興終端設(shè)備細(xì)分市場(chǎng)，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(shì)，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(shì)。
低功率水平下的優(yōu)勢(shì)
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(shì)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(cè)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(jiǎn)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。
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?jiǎn)便性，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。
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(shì)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)?。它?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。
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。
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(jiǎn)單的電路拓?fù)浜涂刂品桨竵硖岣呖煽啃浴６@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(jiǎn)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(jiǎn)化。
圖5. SiC技術(shù)能夠利用更簡(jiǎn)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。
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。
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(chǎng)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(shì)
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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