SiC与Si——针对采用SiC 功率半导体的逆变器及DC-DC转换器系统的潜在性能改进的评估外文翻译资料

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SiC与Si——针对采用SiC 功率半导体的逆变器及DC-DC转换器系统的潜在性能改进的评估

摘要：

基于宽带隙材料，例如碳化硅（SiC）的开关器件与Si器件相比提供了对开关水平（特定导通电阻等）的显着性能改进。已知的示例是例如在具有高开关频率的逆变器驱动中采用的SiC二极管。在本文中，基于分析优化程序和原型系统评估了工业逆变器驱动器和由新的SiC器件产生的dc-dc转换器对系统级性能（即效率，功率密度等）的影响。在那里，我们考虑由SiCED提供的常开JFET和由SemiSouth提供的常闭JFET。

关键词：AC-DC功率变换器，DC-DC功率变换器，SiC 功率半导体开关

１、引言

在许多电力电子应用中，改进的功率半导体的不断发展是推动对更高功率密度（P/V）和更高的效率（eta;）的不断增长的关键有利因素。最近，基于宽带隙材料（例如碳化硅（SiC）或氮化镓（GaN））制造功率器件的技术进步已使得单极器件的工作电压范围和开关速度有了显著改进，尤其是与硅功率器件相比的导通电阻。在[1]中，总结了SiC开关器件关于特定导通电阻，最大阻断电压，比电容等的当前状态。在表1中，给出了关于SiC器件的一些基本信息。

表1：相对成熟的SiC的当前状态。由于允许漏极电流明显取决于冷却条件，这些值应该提供相应开关在更高结温（125°C或更高）下工作的能力的提示。给定25℃的（特定）导通电阻。Si IGBT和Si二极管是INFINEON的FP15R12W1T4模块的一部分

使用这些新设备，出现了通过在设备级获得的改进可以实现什么系统级性能的增加的问题。这种性能指标包括功率电子转换器的功率密度和效率。在[1]，单相功率因数校正（PFC）系统已经开始研究这种影响。此外，对系统级的需求已经转移到半导体的期望分布，并与新SiC装置提供的性能相比较。

在低压电机驱动器领域，已经出版了大量关于Si绝缘栅双极晶体管（IGBT）和SiC开关器件（主要是SiC JFET）的比较的许多论文。这里，通常，矩阵转换器[2]，[3]或标准逆变器[4]，[5]中的Si器件被SiC器件替代，并评估系统性能的变化。根据工作点和开关频率[3]，SiC器件可以显着提高性能，特别是在开关损耗方面。这是由于在Si器件中所观察到的二极管反向恢复和IGBT尾电流的缺乏。SiC器件的传导损耗取决于芯片面积，因为所施加的器件都是单极的。因此，效率比较也取决于所考虑的芯片面积。

SiC器件的较低开关损耗和能够增加开关频率的相关自由度不影响除了冷却系统之外的标准电压源逆变器的可实现功率密度，当损耗较低时，可以降低该功率密度。然而，低开关损耗下的较高开关频率对于dc-dc转换器系统是有利的，因为它们允许减小电感器和/或变压器的尺寸[6]。这在中压电平[7]，[8]尤其如此，其中基于硅的快速开关器件不存在，并且未来的能量分配网络需要新的和超高效的转换器系统[9]。

因为在文献中，通常只用纯SiC代替开关器件，并且没有优化/采用新器件的工作点，在第二部分中，首先，研究了SiC器件对工业逆变驱动器的影响。这里，还讨论了对系统级的要求与所得到的开关元件的所需要的轮廓之间的联系。此后，在第三节讨论了dc-dc转换系统，其中也包括对未来能量分布系统中的中压DC-DC转换器。这里，基于宽带隙材料的新开关器件与现有技术的Si技术相比提供了巨大的性能改进。在所有考虑中，假设结温低于175℃的限制和表I中给出的SiC开关的数据。此外，比较总是基于芯片面积而不是基于制造商的数据表中提供的器件的电流额定值，因为芯片面积与成本成比例，并且电流额定值非常依赖于应用，开关频率和冷却条件。

２、逆变器

低电压（lt;1000 V）工业驱动器是重要的功率半导体应用领域。在此，主要使用在4至16kHz范围内的开关频率和在600V范围内的dc链路电压下工作的两电平逆变器（参见图1）。在小型应用中，还可以找到提供双向功率流的矩阵转换器和用于更高工作频率的三电平转换器。

由于电机的高绕组电感，通常不需要更高的工作频率，如图2（a）所示，除了特殊的高速应用，其中基频明显高于50Hz，并且电感值通常降低。此外，在大多数应用中，没有特别需要更高的千瓦/千克和/或极高的功率密度。只有在集成电机驱动器中，期望更高的功率密度，但是在该应用中，通过改进的冷却系统，通常可以满足要求。由于标准逆变器的效率已经相当高并且大体上超过了电动机的效率，因此（一般来说）与基于硅的转换器相比，没有进一步提高效率的要求。

图1：用于低压标准电机驱动的双电平逆变器示意图。

图2：（a）低电压工业驱动器的系统要求的雷达图，其中显示了当前状态 蓝色（=100％），所需的值以红色显示。根据系统要求，导出（b）中开关设备的雷达图，其中当前状态为硅器件（=100％）以蓝色显示，开关级别的要求显示为黄色，SiC器件的提供的性能显示为红色。数字基于[10]中给出的原型系统。（a）系统级要求。（b）部件级要求和性能。

主要驱动力是成本，其中一个显著的减少可导致变频器驱动的更广泛应用。在一些领域中，还需要更高的可靠性，然而，这难以满足高温操作/装置。

系统要求转换为图2（b）的开关级别，其中硅器件的当前状态显示为参考水平（=100％）为蓝色，所得到的要求以黄色示出，并且用SiC器件可实现的性能以红色示出。这里，可以看出，不需要SiC和甚至Si器件的可实现的开关速度。通常，即使Si IGBT被减慢，以便不会损坏具有高的电机绕组隔离/轴承dv/dt值并减少电磁干扰（EMI）。此外，在低电压驱动中不需要SiC的高击穿电压和高可能结温。在成本不增加的情况下，只有SiC的更好的导电性，使得有更小的芯片面积和更高的可实现效率对于逆变器系统才是有益的。这里，SiC器件的高成本目前是显着的限制。

在更一般的说明之后，讨论了SiC器件对具有表II中给出的规格的真实原型系统的影响。这里，考虑以下情况。

（1）需要多少芯片面积才能实现98.3％的效率？

（2）需要多少芯片面积来保持功率密度恒定在25 kW / dm3 （只考虑冷却系统）？

（3）超高效驱动器需要多少芯片面积，效率为99.3％，即比原型系统高1％？

除了具有Si / SiC二极管的硅IGBT之外，还考虑了表1所列的1.2kV JFET和MOSFET。

在图3中，示出了上述情况的结果。结果是基于一些简化的假设。首先，必须注意，仅分析了纯硅性能，因此不考虑风扇或数字控制电子器件的附加损耗。传导损耗用典型的简化器件行为建模，即

图3、1.2 kV SiCED JFET，1.2 kV SemiSouth JFET，1.2 kV Cree MOSFET和具有Si和SiC二极管的Si IGBT的三种不同情况下的芯片面积：（a）所有系统的效率为98.3％ ，（b）所有系统的体积为0.3 dm3，和（c）效率增加1％，即99.3％所需的芯片面积。

参数取决于结温。对于双向JFET和MOSFET器件，假设正向和反向电流方向上的损耗特性相同。在4 kHz的低开关频率下，JFET和MOSFET的开关损耗远低于传导损耗，因此将被忽略。IGBT和二极管的开关损耗用线性标定的开关能量建模[11]

标称值取自Infineon（1.2 kV，15 A）最新一代IGBT的数据表值，参数如表1所示。对于使用SiC反并联二极管的实施变型，假定二极管截止能量为零，并且由于缺少二极管反向恢复效应，假定IGBT接通能量减小30％。

对于对称空间矢量调制策略，分析计算逆变器系统的设备损耗。这里不再重复公知的平均导通和开关损耗的结果，但可以在[11]和[12]中找到。在另一步骤中，使所有器件的导通电阻与通用公式相关（参见[13]）

（9）

对于开关能量对管芯尺寸的依赖性，没有观察到总体趋势。假定它们对于所考虑的芯片面积范围保持恒定。

以同样的方式，热阻Rth,J-S对于每个设备是依赖于区域的。电阻的标称值为30 K/(W · mm2)符合[13]中的数据表，并且用于所有独立于技术的模具。

（10）

最后，强制空气冷却系统的冷却系统性能指数（CSPI）为15W/（K·dm3）。这允许将热模型完全包括到优化过程中

（11）

散热器温度可以用逆变器系统的总损耗来计算

（12）

每个芯片管芯的结温由下式给出

（13）

现在，可以为先前定义的不同情形求解该组方程。对于每种情况，假定结温度为175°C。这意味着基本输出频率高，使得可以使用平均器件损耗，并且不必考虑热模型的时间行为。

对于固定的效率，公式直接求出芯片面积和必要的散热器的尺寸。对于具有反向并联二极管的IGBT，假定二极管的芯片尺寸为IGBT芯片尺寸的一半，以便减小自由度。

由于SiC JFET和SiC MOSFET的内部二极管的反向恢复损耗，假定反平行肖特基二极管，其在互锁延迟期间仅短时间内导通。对于其余时间，电流以相反方向流过单极装置的通道。因此，SiC二极管的面积可以相对较小，并且假定为IGBT SiC二极管组合的SiC二极管面积的50％。

有趣的是我们注意到，对于恒定的环境温度（例如，25℃），方程定义冷却溶液存在的最小效率。如果效率被选择为低于该最小值，则所得到的芯片管芯很小，使得从结到槽的温度降低但高于最大的150℃，并且散热器尺寸增长到无穷大。

对于固定的散热器尺寸，公式直接求出必要的芯片尺寸和产生的逆变器效率。最后，计算用于高性能99.3％逆变器效率（纯硅）的面积的增加。可以注意到，IGBT和二极管的芯片面积必须增加到不切实际的值，显示SiC JFET和MOSFET对于超高效率电机驱动器的优点。

例如，对于可再生能量转换（光伏逆变器）而言，有可实现的更高的效率的SiC器件是非常有意义的，其中特别关注效率。在那里，SiC器件的较高成本可以通过节省能量来补偿。然而，一般来说，除了由于能量传输/分配造成的损耗之外，在发电机或消耗器侧节省损耗并不重要。

在汽车工业中，除了效率之外，如果功率电子变换器安装在燃烧发动机附近，则由于高的环境温度，更高的可能的工作温度也是有利的。在那里，除了可靠性问题之外，其余部件，例如电容器，控制电子器件或栅极驱动器是限制因素。此外，使用水冷却器，SiC器件的较小占用面积在成本方面也将是有利的。

在过载情况下，较高的可能结温也可以改善转换器系统的鲁棒性。用快速SiC单极开关替代Si双极器件还需要更加仔细地考虑布局和机械设计中的寄生效应由于快速开关瞬变。

3、DC-DC变换器

本文考虑的第二个应用领域是dc-dc变换器，它被分为低压转换器 - 非隔离和隔离和高压隔离dc-dc转换器，下面将讨论。然而，在电信和汽车应用中对低压dc-dc转换器的一般要求是基于图1所示的网络图来评估的。

系统水平上最重要的问题是成本，因为在这两个领域都存在相当高的成本压力和非常具有竞争力的市场。在汽车领域，转换器的重量和功率密度也是重要的标准，因为第一次直接影响燃料效率，第二次结果来自有限的可用空间。后者对于电信系统也是如此，因为地板空间的成本高。此外，对于两个应用领域，效率在过去几年变得越来越重要，因为能源成本和环境问题日益增加，这对于可再生能源和能源储存尤其如此[14]。特别地，在汽车领域中，在其恶劣的环境条件（例如，振动，温度）下，可靠性应该非常高，这特别是在考虑高温操作时是困难的。可靠性也是电信供应中的一个重要问题，因为数据中心的关闭非常昂贵。

这些系统级标准也产生了对开关的要求，如图4（b）所示，其中当前状态为参考值（=100％） 并且还给出了SiC器件的可实现的性能以及对汽车和电信领域中的开关的需求。其中，主要是SiC器件的每单位面积的更高的导电性和用于汽车应用的更高的结温满足需求。不需要更高的阻断电压能力和改进的开关性能，因为工作电压通常限于几百伏，并且可以以非常小的额外作用实现软开关。与其它应用一样，SiC器件的较高成本是主要缺点，并且这明显限制了可以以相同成本水平使用的SiC器件的面积，其影响可实现的系统性能 - 特别是效率。所考虑的两个低压系统现在支持这种说法。

图4：非隔离式DC-DC转换器的系统和部件级要求的雷达图。这里，数字表示图7所示系统的典型值.(a)系统级要求。（b）部件级要求和性能。

图5：双向降压 - 升压变换器，其规格在表III中给出，适用于汽车应用。

图6：初级和次级电压和电感电流的波形。

A.低电压转换器

（1）非隔离式汽车DC-DC转换器

首先，考虑没有电流隔离的dc-dc转换器。这种转换器的典型应用领域是混合电动车辆或燃料电池车辆，其中转换器用于电池，超级电容器和/或燃料电池[15]，[16]之间的电力管理。在这些系统中，通常需要用于在加速期间提供能量和在制动期间存储能量的双向功率流。

用于该应用的转换器必须满足普遍的汽车要求，例如是低成本设计，并且最小化部件尺寸和数量。这可以通过增加开关频率和多个转换器相的交错操作来实现。由于EMI限制，需要固定频率操作，并且需要高度紧凑的设计和低的总重量。

在图5，示出了所考虑的双向dc-dc转换器的示意图，其包括四个开关、电感器和两个电容器。转换器的规格列在表III中，转换器的最重要的波形如图6所示。在那里，给出了初级电压v1 和次级电压 v2 以及电感电流和栅极信号 Snu; ,并且可以看出，与正常的降压 - 升压转换器相反，在电感器中负电流 在t3 和 TP之间流动利用这种特殊的调制方法，可以通过控制简单地实现转换器的软切换，并且可以提高效率。关于控制方法的进一步细节在[17]和[18]中给出，提出了类似的结构，其中通过使用缓冲器来减小芯片面

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