工程師在設(shè)計(jì) UPS 時(shí)必須非常小心，以確保企業(yè)數(shù)據(jù)中心 24/7 全天候平穩(wěn)運(yùn)行，同時(shí)他們也意識(shí)到，他們的電源注定會(huì)成為美國(guó)每年耗電達(dá) 90 TWh 的這類設(shè)施的一部分，而這一耗電量足以達(dá)到 30 座大型有害燃煤電廠年發(fā)電量。另一種設(shè)計(jì)思路的電力工程師正在努力確保他們的快速充電機(jī)能夠快速為 EV 充電，他們也意識(shí)到電力成本及發(fā)電對(duì)環(huán)境的影響。

 

任何應(yīng)用領(lǐng)域的工程師都必須考慮效率、功率密度和成本這些因素。即使還沒(méi)有開(kāi)展具體設(shè)計(jì)，他們也已經(jīng)意識(shí)到碳化硅（SiC）技術(shù)也許是一種可行的解決方案。本文解決了這些問(wèn)題，并通過(guò)并行比較，證明了 SiC 是迄今為止在高功率應(yīng)用中優(yōu)于硅（Si）基器件的選擇。該演示使用 UPS 和充電機(jī)系統(tǒng)的一個(gè)重要部分，即有源前端（AFE），以探討在尺寸和功率密度、功率損耗和效率以及物料清單（BOM）成本方面的改進(jìn)。

 

因此，本文旨在將對(duì) SiC 好處的一般認(rèn)識(shí)轉(zhuǎn)化為更清晰的理解，為現(xiàn)有的低效率技術(shù)開(kāi)辟一條道路，從而獲得更好的基于 SiC 的設(shè)計(jì)體驗(yàn)。  

 

 

AFE 設(shè)計(jì)中的挑戰(zhàn)可以概括為工程師希望完成的一系列變更：

 

降低半導(dǎo)體器件的開(kāi)關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗

 

更小、更輕的散熱系統(tǒng)

 

更小、更輕的無(wú)源器件（電容器和電感器）

 

上述所有變更都會(huì)降低運(yùn)營(yíng)成本和 BOM 成本

 

 

任何能夠同時(shí)解決所有這些挑戰(zhàn)的技術(shù)，可以實(shí)實(shí)在在地對(duì)產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力和環(huán)境產(chǎn)生重大影響。

 

 

 

SiC 使工程師能夠憑借材料和由其形成的優(yōu)異器件特性實(shí)現(xiàn)上文所列變更項(xiàng)目。

 

與傳統(tǒng)的 Si 技術(shù)相比，SiC 器件的通態(tài)壓降為 Si 的 1/2 - 1/3，從而降低了 SiC 開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通損耗。由于 SiC 器件是多數(shù)載流子，因此它們的電流斜率（di/dt）比 Si 器件要高得多。擊穿場(chǎng)強(qiáng)為 Si 的 10 倍，使得相同封裝的 SiC 器件能夠承受更高的電壓。

 

與 Si 的 1.5 W/cmK 相比，3.3 - 4.5 W/cmK 的導(dǎo)熱系數(shù)更高，使 SiC 器件能夠更快地傳導(dǎo)熱量，有助于降低系統(tǒng)中的散熱要求。此外，SiC 芯片溫度可以達(dá)到 250 - 300 °C（而 Si 可達(dá)到的溫度為 125 °C），Wolfspeed 器件的結(jié)溫在不影響可靠性的前提下可以達(dá)到 175 °C。這意味著這些器件可以在更高溫度下運(yùn)行，散熱裝置也更小。

 

 

與 Si 技術(shù)相比，Wolfspeed SiC 功率模塊具有以下優(yōu)勢(shì)：

 

它們以應(yīng)用為目標(biāo)，提供各種電壓和電流額定值、封裝尺寸以及開(kāi)關(guān)和導(dǎo)通優(yōu)化的模塊選擇

 

與 IGBT 模塊相比，它們的 RDS(ON) 更低

 

它們的開(kāi)關(guān)速度更快

 

它們的開(kāi)關(guān)損耗更低

 

 

 

AFE 適用于幾乎所有的并網(wǎng)轉(zhuǎn)換器。圖 1 顯示了當(dāng)今新興市場(chǎng)的兩種主要拓?fù)?。雙向轉(zhuǎn)換 UPS 架構(gòu)包括 AFE 或整流器、DC/DC 轉(zhuǎn)換器和逆變器。在正常功率回路中，一個(gè)小電流進(jìn)入 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，維持電池充電。大部分電能通過(guò) DC 母線回路傳輸?shù)侥孀兤?，在那里為?fù)載供電。

 

在電源故障時(shí)，AFE 停止開(kāi)關(guān)，DC/DC 轉(zhuǎn)換器將來(lái)自電池的電能傳輸?shù)侥孀兤?，為?fù)載供電。一些應(yīng)用可能還會(huì)使用電池來(lái)補(bǔ)償不良負(fù)載或電網(wǎng)側(cè)電能質(zhì)量。

 

▲ 圖 1：AFE 將兩種應(yīng)用（雙向轉(zhuǎn)換 UPS（左）和 EV 非車載快速充電機(jī)（右））接入電網(wǎng)，將 AC 輸入整流為 DC

 

在非車載 DC 快速充電機(jī)中，AFE 將轉(zhuǎn)換器連接到電網(wǎng)。它將電網(wǎng)電壓整流為穩(wěn)定的 DC 母線電壓，然后用于給電池充電。非車載充電機(jī)拓?fù)涓?jiǎn)單，AFE 直接與 DC-DC 轉(zhuǎn)換器連接，可快速為 EV 充電。

 

在這兩種應(yīng)用中，AFE 都使用三個(gè)半橋功率模塊 - 每相一個(gè)。

 

 

基于 IGBT 的 AFE 的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是它們體積大且效率低。它們具有很高的開(kāi)關(guān)損耗，而且，由于它們也是重要的熱源，工程師們可以選擇使用大型散熱系統(tǒng)，或者采取降低性能的辦法，來(lái)降低產(chǎn)生的熱量。但是，盡管需求略有不同，所有客戶都希望購(gòu)買高效系統(tǒng)，而不是加熱器。

 

因此，AFE 設(shè)計(jì)目標(biāo)可定義為：

 

通過(guò)控制輸入電流的幅度來(lái)調(diào)節(jié)正常運(yùn)行下的 DC 母線電壓

 

通過(guò)提供非常低的 THD（< 5%）電流和非常高的功率因數(shù)，最大程度減少電能質(zhì)量問(wèn)題

 

最大程度降低 BOM 器件成本

 

縮小系統(tǒng)體積以實(shí)現(xiàn)更緊湊的系統(tǒng)

 

最大程度提升效率

 

 

考慮到這一點(diǎn)，AFE 系統(tǒng)的 IGBT 和 SiC 變體在設(shè)計(jì)上通過(guò)調(diào)節(jié)好的 DC 母線輸出 200 kW 的高質(zhì)量整流功率。

 

 

 

下文將簡(jiǎn)單介紹基于 IGBT 和 SiC 的系統(tǒng)，然后通過(guò)對(duì)器件尺寸和損耗的并列比較進(jìn)行深入研究。

 

基于 Si 的高功率設(shè)計(jì)（例如 AFE 示例）通常使用 IGBT。圖 2 顯示了功率模塊電路圖及其物理散熱要求。為了使用同類最佳器件，從目前主流的 IGBT 模塊選擇了一種模塊，這些模塊采用 EconoDUAL® 封裝。該拓?fù)湫枰齻€(gè)這樣的功率模塊 - 圖中所示的每個(gè)紅色框包括一個(gè)功率模塊、一個(gè)散熱器和兩個(gè)風(fēng)扇。

 

▲ 圖 2：電路中的每個(gè)紅色方框包括 EconoDUAL® 功率模塊和如上所示的相關(guān)散熱系統(tǒng)

 

可以優(yōu)化該系統(tǒng)，以在需要 100 µH 電感器的情況下實(shí)現(xiàn)高達(dá) 8 kHz 的開(kāi)關(guān)頻率。對(duì)于 40 °C 的環(huán)境溫度，IGBT 結(jié)溫（Tj）達(dá)到 130 °C，單獨(dú)的二極管芯片結(jié)溫達(dá)到 140 °C。這需要一個(gè)大型散熱器和每個(gè)模塊兩個(gè)風(fēng)扇，即使在將開(kāi)關(guān)頻率限制為 8 kHz 也需如此。

 

▲ 圖 3：SiC 基電路設(shè)計(jì)中的每個(gè)紅框都使用更小的 XM3、更小的散熱器和單個(gè)散熱風(fēng)扇

 

基于 SiC 的系統(tǒng)采用 Wolfspeed XM3 功率模塊 CAB400M12XM3。該系統(tǒng)可以在更高的 25 kHz 頻率下工作，并使用 30 µH 的電感器。對(duì)于相同的 40 °C 環(huán)境溫度，MOSFET 結(jié)溫達(dá)到 164 °C。Wolfspeed 模塊所帶來(lái)的高結(jié)點(diǎn)溫度，可幫助減少熱管理成本。同樣，圖 3 所示的每個(gè)紅框都包含模塊，其散熱要求要低得多。

 

 

Wolfspeed 的 XM3 功率模塊平臺(tái)與同等額定值 62 mm 模塊相比，體積減少 60%，面積減少 55%。與同等額定值的 EconoDUAL® IGBT 模塊相比，其尺寸、體積和重量的減少明顯更多。

 

▲ 圖 4：與 EconoDUAL® 相比，XM3 平臺(tái)顯著減小面積和體積

 

XM3 平臺(tái)的主要特性包括：

 

高達(dá) 32 kW/L 的高功率密度

 

高達(dá) 175 °C 的結(jié)溫

 

低電感（6.7 nH）

 

開(kāi)關(guān)損耗降低至五分之一以下

 

低導(dǎo)通損耗，無(wú)固有的拐點(diǎn)電壓

 

高可靠性氮化硅功率襯底，增強(qiáng)了功率循環(huán)能力

 

 

 

在所考慮的 AFE 中，表 1 將 IGBT 功率模塊損耗與 CAB400M12XM3 進(jìn)行了比較。

 

▲ 表 1：損耗比較表明，與 IGBT 相比，SiC 使每個(gè)模塊的損耗降低了 40%

 

如表 1 所示，使用 Wolfpseed SiC 技術(shù)有助于通過(guò)減少總開(kāi)關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗來(lái)克服第一個(gè)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，進(jìn)而解決剩余的挑戰(zhàn)。需要注意的是，Wolfspeed SiC MOSFET 固有體二極管的反向恢復(fù)電荷（Qrr）僅僅不到 Si 基方案的1% 。為了在一定程度上緩解這個(gè)問(wèn)題，IGBT 模塊還包括了單獨(dú)的二極管，從而帶來(lái)單獨(dú)且額外的損耗。

 

 

▲ 圖 5：XM3 將散熱系統(tǒng)體積降低了 42%，成本降低了 70%

 

 

Wolfspeed 的 SiC 技術(shù)實(shí)現(xiàn)的高 MOSFET 結(jié)溫和 XM3 的低損耗對(duì)散熱要求有立竿見(jiàn)影的影響。

 

由于每個(gè)模塊的損耗為 1.11 kW，每個(gè) EconoDUAL® 都需要安裝在一個(gè)大型散熱器上，每個(gè)散熱器上都有一個(gè)吹吸風(fēng)扇，以獲得足夠的氣流來(lái)提高散熱效率。散熱系統(tǒng)體積為 6.4 L/模塊。

 

鑒于損耗降低了 40%，XM3 需要更小的散熱器和一個(gè)風(fēng)扇就能達(dá)到同樣的效果（40 °C 時(shí)）。散熱系統(tǒng)體積僅為 3.7 L。

 

散熱系統(tǒng)體積減少了 42%，同時(shí)還有另一個(gè)優(yōu)勢(shì) - AFE 系統(tǒng)熱解決方案成本降低了 70%。

 

 

 

通過(guò)使開(kāi)關(guān)頻率增加至三倍，即從 8 kHz 增加到 25 kHz，基于 SiC 基的 AFE 需要的無(wú)源器件更?。▓D 6）。

▲ 圖 6：SiC 基 AFE 使用的電感器（左）和電容器（右）比 IGBT 基設(shè)計(jì)所需的要小得多

 

如前所述，所需的電感也可以減小至三分一，即從 IGBT 設(shè)計(jì)的 100 µH 減少到 30 µH。由此產(chǎn)生的物理尺寸減少約 37%。此外，電感器中的 I2R 損耗也降低了近 20%。

 

對(duì)于 AFE 示例所需的功率水平，XM3 設(shè)計(jì)中的磁性元件（包括磁芯和銅繞組）的成本比 IGBT 基 AFE 低 75%。

 

由于開(kāi)關(guān)頻率增加，對(duì)所需 DC 母線電容的影響是類似的?；贗GBT 的設(shè)計(jì)需要 1800 µF，而 基于SiC MOSFET 的設(shè)計(jì)只需要 550 µF 的電容。圖 6 中的并列比較說(shuō)明所需電容的體積減少了 54%。

   

 

在系統(tǒng)層面上，SiC 使開(kāi)關(guān)量增加至 3 倍，從而使控制帶寬提升至 3 倍，這繼而意味著對(duì)動(dòng)態(tài)條件的響應(yīng)時(shí)間更短。由于對(duì)無(wú)源器件（包括散熱系統(tǒng)）的需求降低，促使這些組件的總計(jì) BOM 成本降低了 37%。

 

SiC 基 AFE 的損耗也比 IGBT 基系統(tǒng)低 40%。對(duì)于一個(gè)每天 24 小時(shí)、每周 7 天連續(xù)運(yùn)行的系統(tǒng)，這將導(dǎo)致每年節(jié)省 26 MWh 的能量。除了綠色認(rèn)證，SiC 還能以 0.10 美元 / kWh 的成本將年度運(yùn)營(yíng)成本降低 2,591 美元。

 

除了性能、無(wú)源器件 BOM 成本和運(yùn)營(yíng)成本，基于 SiC 的系統(tǒng)在尺寸和重量上要小得多。與 IGBT 版本相比，系統(tǒng)體積減少了 42%（圖 7）。

 

 

 

▲ 圖 7：并列 AFE 系統(tǒng)比較顯示了 SiC 系統(tǒng)與 IGBT 相比的部分尺寸

 

對(duì)額定值相似的 AFE 系統(tǒng)中使用同類最佳的 IGBT EconoDUAL® 和 Wolfspeed CAB400M12XM3 SiC-MOSFET 功率模塊的并列比較表明，SiC 技術(shù)滿足了上文所述的設(shè)計(jì)師的一系列需求。Wolfspeed 的 XM3 平臺(tái)有助于顯著提高整個(gè)系統(tǒng)的效率，提高系統(tǒng)整體響應(yīng)速度和性能，減少系統(tǒng)范圍內(nèi)的體積以實(shí)現(xiàn)更高的功率密度，并通過(guò)降低整體無(wú)源器件 BOM 成本來(lái)提高競(jìng)爭(zhēng)力。

(來(lái)源： Wolfspeed)