电力电子中的碳化硅SiC

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1.a显示了传统软开关600V赛米控CAL HD续流二极管的正向压降Vf，为低开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：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Vf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（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IRRM要低50%以上，反向恢复电荷QRR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，可以显著减少逆变器损耗，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著的关断损耗，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，不会导致显著过电压尖峰。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著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著减少，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著的优势，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。

表2：1200V、25A IGBT模块（沟道型IGBT+CAL二极管）与20A全SiC模块（SiC MOSFET和SiC肖特基二极管）之间的静态和动态损耗对比

全SiC模块的静态损耗高17%，而动态损耗显著降低：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，特别是在较高的开关频率下，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模块的输出功率Pout。 4.b：输出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°C的环境温度。

开关频率高于20KHz时，全SiC模块的输出功率比IGBT模块高100%以上。此外，输出功率对开关频率的依赖也小。反过来，全SiC功率模块可用于非常高的开关频率，因为与10kHz时的输出功率相比，40kHz时的输出功率只低28%。当开关频率低于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开关频率而优化的。针对较低开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，甚至在开关频率低于5kHz时。因此，通过使用更大的芯片面积来优化用于低开关频率的全SiC模块是可能的。 只要SiC芯片尺寸合适，SiC器件可以在广泛的开关频率范围内提供更高的输出电流和输出功率。

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器件的快速开关特性和振荡趋势，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DCB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-MOSFET和34个13.5A SiC肖特基续流二极管。全SiC模块中，共有46 个SiC 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。

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 cm2的总面积，而全SiC模块只用了10 cm2。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模块的动态损耗非常低：SiC MOSFET的开关损耗比硅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模块输出电流的对比。热损耗计算基于为风冷散热器，60°C的环境温度。

即使在4kHz的低开关频率下，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，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著增加，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UPS应用。此外，低动态损耗使得SiC器件非常适用于20kHz以上的较高开关频率。利用高开关频率，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的低开关频率下也可以展示SiC的优点。SiC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，SiC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、效率高等好处能胜过较高的成本。由于成本远超过传统硅解决方案，用SiC的总体拥有成本需要仔细考虑。一些优势并不直接与更高的功率输出或更高的效率相关。例如，减小风能逆变器的尺寸和重量，不仅节省了风力发电机组的内部空间，同时也减少了运输和安装工作。SiC提供了大量的好处，迫使电力系统的设计有不同的想法，回顾传统的设计，并寻找新的方法来充分利用SiC技术。在模块层面，需要针对大量芯片并联的低电感设计和优化的DCB布局，当然还有新的封装技术，如赛米控针对高可靠性和高运行温度的烧结技术。赛米控通过深入细致的研究支持SiC解决方案，SiC器件可以采用所有的标准封装进行组装。优化的解决方案和拓扑在客户的密切配合下被评估，这确实是有必要。定制的解决方案是一种具有成本竞争力的方式。

不过，价格问题仍然存在，需要针对电力电子市场中的广泛突破性的SiC器件进行解决。前景是乐观的：根据市场研究，SiC肖特基二极管的价格预计下降约30%，SiC MOSFET的价格预计在未来几年下降约40%，这显著增加了SiC的竞争力。可以预见的是，混合SiC和全SiC模块的价格将不但适用于高端应用，而且未来3年内也将用于标准解决方案。事实上，SiC进入电力电子是一个漫长的过程，寻求广泛的市场准入尚未完成。但种种迹象都积极表明，未来几年SiC将成为用于电力电子应用的一项成熟技术。