电力电子中的碳化硅SiC

电力电子中的碳化硅

S i C

公司内部编号：（GOOD-TMMT-MMUT-UUPTY-UUYY-DTTI-

电力电子中的碳化硅SiC

SiC in Power Electronics

Volker 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提供了功率半导体器件的新设计方法。传统功率硅技术中，IGBT开关被用于高于6 00V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开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SiC肖特基二极管一起开关。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。图显示了传统软开关60

，为低开关损耗而优化的快速硅二极0V赛米控CAL HD续流二极管的正向压降V

f

管和SiC肖特基二极管，所有的额定电流为10 A。

图中：25℃和150℃下不同续流二极管的正向电流与正向压降。对比了10A的Si

C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）。：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，硅续流二极管展现出最低的正向压降，SiC肖特基二极管的V

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

f

比25°C下的V 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

f

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f

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V

f

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（CAL 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I

RRM

要低50%以上，

反向恢复电荷Q

RR 降低了14倍，关断损耗E

off

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，节约用于冷却的开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出来。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出任何的反向恢复电荷，因此关断损耗非常低。由于反向电流的迅速减小，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混合模块显示出SiC二极管的优点。

图3：传统硅三相桥模块的输出电流（1200V，450A沟道型IGBT+CAL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）。安装在水冷散热器上的SKiM93模块的热损耗计算。

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开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%。随着开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。利用高开关频率，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 MOSFETS这样的SiC开关，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。