碳化硅 (SiC) 元件能夠?yàn)殡娏斔拖到y(tǒng)實(shí)現(xiàn)更高的效率和可靠性，尤其是對并網(wǎng)型且?guī)缀跞旌蜻\(yùn)行的逆變器和有源整流器。由于行業(yè)正在尋找更環(huán)保的解決方案，例如太陽能和電動(dòng)汽車 (EV) 充電領(lǐng)域，對于更高效率和更可靠元件的需求也愈發(fā)旺盛。

 

由于 SiC 技術(shù)的進(jìn)步，并網(wǎng)型系統(tǒng)能夠從更高的功率密度、更快的開關(guān)速度、更低的運(yùn)行溫度和更低的整體成本中獲益。除了太陽能/風(fēng)能/混合能和 EV 充電外，其他高功率應(yīng)用，例如工業(yè)設(shè)備、不間斷電源以及其他電源應(yīng)用等也催生了對更高功率因數(shù)校正 (PFC) ，以及雙向能量流動(dòng)等其他能力的需求。

 

Wolfspeed 推出了多種創(chuàng)新產(chǎn)品和包含參考設(shè)計(jì)以及仿真軟件的工具集，能夠賦能并網(wǎng)型應(yīng)用。本文將探討如何選擇與應(yīng)用相匹配的器件和拓?fù)浞绞?，以及能利用哪?SiC 元器件（分立式器件或模塊）和資源協(xié)助設(shè)計(jì)人員進(jìn)行開發(fā)。

 

 

高功率應(yīng)用對于 PFC 的需求增加已經(jīng)持續(xù)數(shù)十年，始于包含 LC 元件的橋式（二極管）整流器。雖然傳統(tǒng)配置實(shí)施起來非常簡單，但性能和尺寸曾是關(guān)鍵限制因素。目前，有源升壓 PFC 拓?fù)湟驯淮蟛糠謶?yīng)用所采用，它能夠以合理的成本提供合適的性能，但是僅能提供單向功率流動(dòng)（對其應(yīng)用范圍造成了限制），而且無法滿足當(dāng)今最新的高效標(biāo)準(zhǔn)。

 

連續(xù)導(dǎo)通模式無橋圖騰柱 PFC（圖 1）實(shí)現(xiàn)了較低的損耗、雙向功率流，并實(shí)現(xiàn)了高效性能，使得 SiC 技術(shù)能夠?yàn)楣β兽D(zhuǎn)換和傳輸市場實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型。

▲ 圖 1：無橋圖騰柱 PFC ，單相（左側(cè)）和三相（右側(cè)）

 

Si MOSFET 體二極管擁有較高的反向恢復(fù)電荷和時(shí)間（最新款 15 m? / 650 V 超級結(jié) Si MOSFET（帶快速體二極管）在高溫下的 Qrr 約為 10,000 nC，Trr 為 500 ns），而 SiC MOSFET 的體二極管的數(shù)值要低得多，例如最新款 25 m? / 650 V SiC MOSFET 的該數(shù)值分別為 293 nC 和 22 ns。因?yàn)閳D騰柱拓?fù)湫枰谐錾捏w二極管性能，Si MOSFET 由于其反向恢復(fù)時(shí)的 Qrr 和 Trr 較大，并不是實(shí)用的解決方案。雖然在單相和三相圖騰柱拓?fù)渲锌梢允褂媒^緣柵雙極型晶體管 (IGBT)，但是其開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗較高，限制了最大開關(guān)頻率。多電平IGBT 變換器解決了部分開關(guān)問題，但需采用更復(fù)雜的控制方法，而且通常需要多個(gè)元器件和柵極驅(qū)動(dòng)器，導(dǎo)致更高的系統(tǒng)成本。

 

SiC 可以實(shí)現(xiàn)簡單高效的拓?fù)?，例如單相和三相圖騰柱拓?fù)洌趯?shí)現(xiàn)更高的功率密度的基礎(chǔ)上還可以具備更多功能。它能夠降低開關(guān)損耗，可以運(yùn)行更高的開關(guān)頻率，并可以提高功率密度，降低磁性元件的重量、尺寸和成本。得益于較低的導(dǎo)通電阻RDS(on) ，效率可以高達(dá) 99%。同時(shí)，由于元件較少，且控制形式簡單，能夠降低整體系統(tǒng)成本。

 

Wolfspeed SiC 產(chǎn)品組合通過分立式元件（低功率應(yīng)用）和功率模塊（高功率應(yīng)用）可支持多種功率應(yīng)用（1 kW 至 600 kW 甚至更高）。電壓范圍涵蓋 650 V 至 1700 V 的共 50 多種產(chǎn)品，具備較高的拓?fù)潇`活度，能夠滿足功率密度、效率和可拓展解決方案的規(guī)格。

 

根據(jù)不同的具體應(yīng)用，分立式 SiC 器件或 SiC 功率模塊有助于實(shí)現(xiàn)基于不同功率等級和功能的設(shè)計(jì)。分立式 MOSFET 包含開爾文源極引腳，可以控制源極，使其旁路任何封裝導(dǎo)致的寄生參數(shù)（在開關(guān)過程中產(chǎn)生感生電壓）（見圖 2，了解使用“KS”引腳優(yōu)化控制的示例）。

▲ 圖 2：經(jīng)優(yōu)化的 MOSFET 封裝 (TO-247-4L)，包含第四個(gè)開爾文源極引腳

 

對于高功率應(yīng)用，WolfPACK 系列模塊能夠“直接”替換現(xiàn)有解決方案，同時(shí)充分利用經(jīng)過優(yōu)化的 SiC 性能，得到最大的載流能力（得益于雜散電感被最小化）。BM2、BM3、FM3 和 GM3 模塊采用久經(jīng)檢驗(yàn)應(yīng)用的封裝形式，可以輕易的實(shí)現(xiàn)多貨源供給，而 XM3 和 HM3 是專為優(yōu)化性能而設(shè)計(jì)的定制模塊，可發(fā)揮最佳性能，具備出色的電流能力。

 

結(jié)合 PLECS 模型使用 SpeedFit，可以幫助設(shè)計(jì)人員建模并模擬完整的電力電子設(shè)備系統(tǒng)來找到匹配的器件，包括進(jìn)行熱/損耗建模并模擬數(shù)據(jù)表特征。這些仿真模型都是基于真實(shí)結(jié)果，可以提供獲得預(yù)期性能的視覺化演示（見圖 3）。

▲ 圖 3：SiC MOSFET 開關(guān)能量與漏極電流視覺圖像

 

此外，SpeedFit 可進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)在線仿真，它包含完整的模型庫，可通過額外的軟件實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)靈活性。多種常用拓?fù)涠家杨A(yù)加載，可使用準(zhǔn)確的損耗模型快速仿真，從而驗(yàn)證設(shè)計(jì)。

 

在為 SiC MOSFET 設(shè)計(jì)柵極驅(qū)動(dòng)器時(shí)，必須考慮多個(gè)關(guān)鍵因素。下方列出了一些滿足 Wolfspeed SiC MOSFET 應(yīng)用的典型規(guī)格：

 

隔離：共模瞬變抗擾度 (CMTI) 大于 100 kV/µs

 

絕緣：最大工作絕緣電壓 (VIORM) 

 

驅(qū)動(dòng)能力：達(dá) 5 A

 

傳輸延遲時(shí)間：50 ns 或更佳

 

通道失配時(shí)間：10 ns 或更佳

 

有源米勒鉗位

 

柵極電源電壓：15 V / -4 V

 

為了滿足這些標(biāo)準(zhǔn)，Wolfspeed 同時(shí)還提供了評估工具和資源，以幫助設(shè)計(jì)人員選擇合適的拓?fù)浞绞胶推骷＠?，Analog Devices 的 ADI AduM4146 是一款包含隔離單通道驅(qū)動(dòng)器的參考設(shè)計(jì)，可驅(qū)動(dòng) Wolfspeed 的 SiC MOSFET，還包含 Silicon Labs 的 Si823Hx 隔離雙通道驅(qū)動(dòng)器（可用于半橋方案）。Texas Instruments 的 UCC21710 能夠提供達(dá) 10 A 的驅(qū)動(dòng)能力。所有這些組件集成在現(xiàn)成、即插即用的平臺(tái)上，可評估 Wolfspeed SiC MOSFET。

 

 

 

CRD-06600FF065N-K 是一款可配置為電動(dòng)汽車充電應(yīng)用的單相 6.6 kW 雙向車載充電機(jī) (OBC) 的參考設(shè)計(jì)，同時(shí)還可作為“可并網(wǎng)”的電力儲(chǔ)能裝置。其包含圖騰柱 PFC (AC/DC) 級和隔離雙向 CLLC DC/DC 級，系統(tǒng)峰值效率可達(dá) 96.5%，功率密度達(dá) 3.3 kW/L（見圖 4）。對于正在開發(fā)中的電動(dòng)汽車和并網(wǎng)儲(chǔ)能應(yīng)用來說，這款設(shè)計(jì)是絕佳的出發(fā)點(diǎn)，其能夠?qū)?Wolfspeed 分立元件進(jìn)行完整的評估和測試，同時(shí)包含一套設(shè)計(jì)文件，包括設(shè)計(jì)原理圖/布局圖以及相關(guān)硬件。

 

▲ 圖 4：CRD-06600FF06N-K 參考設(shè)計(jì)圖   單相 6.6 kW 雙向 OBC

 

在開發(fā)過程中，還可參考另一款高效（在 22 kW 時(shí)為 98.5%）高功率、三相雙向充電機(jī)設(shè)計(jì)，可用于評估分立式元件并提供設(shè)計(jì)指南。這款設(shè)計(jì)包含 Wolfspeed 的 1,200 V 32 mΩ SiC MOSFET，配置在兩電平六開關(guān) PFC/逆變器中。

 

對于需要使用多個(gè) MOSFET 的高功率應(yīng)用，可以考慮使用 WolfPACK 功率模塊。例如，25 kW 有源前端 (AFE) 可以使用 FM3 系列模塊（包含六個(gè) SiC MOSFET），可與適當(dāng)?shù)纳崞?、磁性元件、柵極驅(qū)動(dòng)器、電壓/電流傳感器以及控制器配合使用。此外，建議添加一些安全相關(guān)的功能，例如軟啟動(dòng)、保險(xiǎn)絲以及 EMI/EMC 濾波器。圖 5 示出了該配置圖（MOSFET 位于“功率級”）。采用相同的配置，對 WolfPACK FM3 模塊以及Si IGBT進(jìn)行對比測試，測試發(fā)現(xiàn)，SiC 的開關(guān)頻率可以高達(dá) 5 倍（最高達(dá)100 kHz），其損耗降低超過 400 W（運(yùn)行條件為 25 kW，480 V 輸入和 800 V 輸出）。采用 SiC 獲得的性能提升還帶來了一些額外優(yōu)勢，例如濾波器尺寸更小、整體效率更高（比 IGBT 高 2%），運(yùn)營成本更低。

 

 

▲ 圖 5：WolfPACK FM3 功率模塊（左側(cè)）  以及適用該模塊的 25 kW AFE 配置

 

對更高功率 (200 kW) 的 AFE/逆變器進(jìn)行了類似的比較實(shí)驗(yàn)。與現(xiàn)有 Si IGBT 解決方案相比，CAB400M12XM3 SiC 模塊能夠顯著降低損耗、尺寸和成本，這是由于其開關(guān)頻率升高且元件（磁性元件、電容器和散熱元件）尺寸更小。比較性能后我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)運(yùn)行在 100 kW 到 300 kW 條件中時(shí)，XM3 模塊的整體損耗較為平穩(wěn)，約為不到 1,000 W。同時(shí)，在 200 kW 輸出條件下，效率提高約 0.75%。XM3 組件可以作為核心元件進(jìn)行購買，包括散熱、驅(qū)動(dòng)器、控制器和傳感元件。圖 6 為使用 SiC 技術(shù)的 200kW AFE / 逆變器和目前使用 Si IGBT 元件解決方案的尺寸比較。

 

▲ 圖 6：Si IGBT 解決方案（左）和 SiC 解決方案（右）的尺寸比較

 

 

 

在開發(fā)高功率電源的過程中，需要考慮磁性元件對于功率密度和效率的影響。在高開關(guān)頻率運(yùn)行下（由 SiC 實(shí)現(xiàn)），磁芯和繞組的功率密度會(huì)提高，而損耗會(huì)降低，這就意味著效率更高。通常情況下，考慮到性能和系統(tǒng)成本時(shí)往往需要折中，但使用 SiC MOSFET 有助于提高性能，降低損耗。在選擇應(yīng)用的電感時(shí)，需要考慮材磁芯料和構(gòu)造。一些構(gòu)造欠佳的電感會(huì)有明顯的“邊緣效應(yīng)”，會(huì)由于渦流而帶來額外的功率損耗。

 

圖 7 為電感器及其參數(shù)和性能的比較列表。在磁芯損耗、直流偏壓、頻率范圍和功能之間需要進(jìn)行折中。

 

▲ 圖 7：電感器參數(shù)和性能比較

 

高能量的開關(guān)行為會(huì)造成 PCB 走線和節(jié)點(diǎn)的 dV/dt 和 di/dt 顯著變化。在設(shè)計(jì) PCB 布局時(shí)，將漏極節(jié)點(diǎn)的Pad尺寸最小化，以降低耦合及寄生電容，同時(shí)使敏感信號源遠(yuǎn)離高 dV/dt 走線/節(jié)點(diǎn)以及磁場（例如 PFC 扼流圈），這十分重要。

 

當(dāng)高功率漏極平面靠近柵極走線線/pad時(shí)，會(huì)形成寄生電容，導(dǎo)致嚴(yán)重的功率損耗。例如，800 V 母線 上的 1 cm2 的 PCB 走線重疊區(qū)域在 100 kHz 運(yùn)行條件下會(huì)造成 38 pF 的寄生電容，造成 1.2 W 的損耗（見圖 8）。而開關(guān)損耗由于柵極電荷的升高而升高，最終會(huì)影響效率。當(dāng)柵極附近（柵極分別與源極和漏極之間）存在雜散電容時(shí)，且當(dāng)兩者之間的比例較大時(shí)，會(huì)形成串?dāng)_，導(dǎo)致直通和更高的電壓尖峰。柵極信號處增加電容（外部柵極電阻的另一端）會(huì)加劇柵極震蕩，降低整體可靠性。通過減少走線長度、留意敏感走線和可能出現(xiàn)的高 dV/dt 和 di/dt、妥善布置功率元件，避免在柵極、柵極驅(qū)動(dòng)電路、柵極驅(qū)動(dòng)器電源和 MOSFET 漏極之間形成重疊，便能夠?qū)⑦@些雜散電容最小化。上述參考設(shè)計(jì)是 SiC 應(yīng)用經(jīng)優(yōu)化布局實(shí)踐的良好示例。

 

▲ 圖 8：PCB 上的寄生電容的解釋（帶 SiC MOSFET 信號）

 

對于包含功率模塊的系統(tǒng)，可以使用同樣的優(yōu)化方法。在使用以較高開關(guān)速度運(yùn)行的功率模塊和匯流排時(shí)，最小化整體雜散電感，從而盡可能提高效率，這十分重要。對于 IGBT 逆變器，由于開關(guān)速度有限，雜散電感不會(huì)有如此重大影響，但對于 SiC 逆變器，應(yīng)優(yōu)化母線排和電容器的設(shè)計(jì)和選擇，從而充分利用其優(yōu)勢；圖 9 的圖表比較了這兩者，顯示了創(chuàng)新設(shè)計(jì)選擇如何能夠顯著降低雜散電感。

▲ 圖 9：比較 SiC 和 IGBT 逆變器功率元件的典型雜散電感圖表

 

此外，在布局功率模塊以及其它系統(tǒng)元件時(shí)，建議將每個(gè)模塊和電容器之間的電感保持相同，同時(shí)采用較大的表面積，從而幫助散熱。最好能為直流匯流排采用疊層銅排（反向抵消效應(yīng)）。

 

Wolfspeed SiC 分立式和功率模塊能夠?yàn)椴⒕W(wǎng)型轉(zhuǎn)換器應(yīng)用帶來出色的系統(tǒng)級優(yōu)勢，包括承載更高的電壓、更快的開關(guān)頻率、更高的功率密度和載流能力，能夠整體提高系統(tǒng)效率，同時(shí)降低無源器件件的材料清單成本。Wolfspeed 擁有適用于多種不同應(yīng)用的豐富器件和網(wǎng)絡(luò)在線工具，能夠幫助客戶評估器件，還能提供諸多參考設(shè)計(jì)，加速產(chǎn)品上市時(shí)間，讓設(shè)計(jì)人員倍感心安。

 

英文原稿：https://www.wolfspeed.com/knowledge-center/article/silicon-carbide-in-grid-tied-applications/