【选型】可替代3倍电流Si IGBT模块的SiC MOSFET模块

2016-01-29 Wolfspeed(世强翻译)

目前,SiC是目前唯一能解决电力电子市场对于高性能1200V和1700V器件需求的宽禁带半导体材料。SiC二极管技术已经在市场上蓬勃发展十多年,近年来许多开关器件已采用SiC电路解决方案。本文实例子分析了SiC MOSFET是如何替代3倍电流的Si IGBT模块的。


电压型变频器设计
由于SiC器件能显著降低开关损耗,一个额定电流100A的SiC MOSFET模块有望替换更大额定电流的Si IGBT模块。为了分析和量化这一点,设计了一个如表1所示规格的通用电压型变频器。

 

 

表1:电压型变频器规格


本文采用150A和200A第六代Si IGBT模块与100A SiC MOSFET模块做比较,相关参数见表2。150A、200A第六代沟场阻止Si IGBT半桥模块对100A的SiC MOSFET半桥模块相比(表2)。在额定电流条件下(75ARMS),Tj = 150℃ 状态时,100A SiC MOSFET和150A Si IGBT的导通压降近似相等(见图2)。在过载条件下(90ARMS),Tj = 150℃ 状态时,100A SiC Mosfet模块的导通压降比150A Si IGBT模块的导通压降高0.3V。然而具有优异开关能力的SiC MOSFET的总开关损耗只有150A Si IGBT的总开关损耗的七分之一到四分之一,这使得在使用SiC器件,即使在低开关频率(5kHz)的应用中,器件的损耗也显著减少,器件损耗的降低,允许更高的热裕量(可靠性增强)或更高的系统功率。


表2:150A和200A Si IGBT模块,100A SiC MOSFET模块的关键参数


图3 :150A Si IGBT和100A SiC MOSFET导通损耗


图4:150A Si IGBT和100A SiC MOSFET开关损耗


电压型变频器仿真结果

通过使用SI IGBT制造商提供的软件对表1所述的电压型变频器,所需用表2的模块参数作为输入量进行了仿真。在150A Si IGBT和100A SiC MOSFET模块采用同样大小的散热器情况下,仿真运行了75A和90A两种电流,5kHz和16kHz两种开关频率的情形。


表3列出了150A Si IGBT模块在额定和过载条件下5kHz开关频率运行,其平均结温都低于150℃。把开关频率提高到16kHz,结果只能运行75A的最大电流,没有过载能力。要实现20%的过载能力,必须采用200A Si IGBT模块替换150A的Si IGBT模块。如果过载情况下还希望有一定的热裕量,那就需要采用250A或300A的Si IGBT模块。而100A SiC MOSFET模块在上述条件下都能正常工作。



表3. 电压型变频器仿真结果


SiC MOSFET模块的高效开关带来热效益。75ARMS和5kHz开关频率运行时,开关损耗降低了13.7%,可降低2.1℃的结温。二极管的损耗降低了58.3%,可降低9.2℃的结温。整个器件损耗降低了23.2%(或145.3瓦)。此外,散热器和外壳的温度分别降低了7.4℃和8℃,从而延长了热界面材料的使用寿命。综述所述,SiC MOSFET模块可缩减大量的功率损耗并大大提升产品的可靠性,即使在低开关频率的应用中也是如此。


图5: 100A SiC MOSFET和150A Si IGBT的总损耗(75ARMS和5kHz条件下)


SiC MOSFET总功率损耗的的峰值/平均值比值仅为2.81,而Si IGBT的则为3.48,比SiC MOSFET的高了24%。热阻抗近似相等时,SiC MOSFET在正常运行时将比Si IGBT经历更低的温度波动,这将进一步增加模块的可靠性。


随着开关频率从5kHz增大到16kHz,SiC MOSFET技术所带来的好处更加明显。为了满足过载条件,Si IGBT模块至少需要200A电流规格的,而且还没有多少热裕量。正常运行时(75ARMS),100A的SiC MOSFET模块总器件损耗只有200A Si IGBT模块的57.1%(仅为783.1瓦!)。这极大地降低了结温、壳温和散热器的温度,从而提高了可靠性。而为了满足热裕量的需求,还得采用250A或300A的Si IGBT模块。

 

总结

电压型变频器的仿真表明100A的SiC MOSFET模块可替代150A、200A甚至300A的 Si IGBT模块,同时还提供更高的性能、更低的损耗和更高的可靠性。从系统层面考虑,由于SiC器件的额定安培不等同于Si器件的额定安培,基于SiC的设计需要从系统功率来评估每kW的价格,而不是评估每额定安培的价格。随着SiC功率器件使用数量的上升、制造工艺的提升以及材料/器件的创新,其成本会迅速下降。所有的SiC模块如CAS120M12BM2就是通过缩减系统成本,且提供额外的性能和可靠性保证来赢得市场的。

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