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Silicon Carbide

碳化矽技術在並網型應用中的優勢

Dan Martin and Jianwen Shao
Oct 25, 2021
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Article

碳化矽(SiC)元件能為電力輸送系統提供更高效率和可靠性,尤其是對用於並網型(grid-tied)應用的逆變器和主動式整流器,它們幾乎每天24小時,一年365天持續使用。由於業界正在推動更多具環保意識的解決方案,例如太陽能和電動汽車(EV)充電,因此對更高效率和更高可靠性元件的需求也在增加。 

碳化矽科技日益進步,具備更高功率密度、更快開關速度、更低操作溫度和整體成本等特性,為並網型系統提供了優勢。除了太陽能/風能/水力電動汽車充電等應用之外,其他的高功率應用,例如工業設施不斷電供應系統和其他電源應用,也推動了對更高功率因素校正(PFC)和雙向能量流動等其他性能的更多需求。 

Wolfspeed推出了多種創新產品和包含參考設計及模擬軟體的工具套件,從而實現並網型應用。本文將探討如何為並網型應用選擇最適合的裝置和拓樸結構,以及有哪些碳化矽元件(分立元件或模組)和資源可協助設計人員進行開發。 

並網型應用的元件和拓樸結構選擇 

從橋式(二極體)整流器包含LC元件的年代開始,高功率應用的PFC不斷增加,已經持續了數十年。雖然這種傳統配置實現起來非常簡單,但性能和尺寸卻成為主要限制因素。目前,用於升壓的主動式PFC拓樸結構受到大多數應用所採用,它能夠以合理的成本提供足夠的性能,但它僅能提供單向功率流動(對其應用範圍造成限制),而且無法滿足當今最新的高效標準。 

連續導通模式(CCM)的無橋圖騰柱PFC配置結構(圖1)實現了更低的損耗、雙向功率流和高效性能,使得碳化矽技術能為功率轉換和傳輸市場實現轉型。 

圖1

Si MOSFET的本體二極體通常有較高的反向恢復電荷Qrr和反向恢復時間Trr,最新款的15mΩ/650V超結Si MOSFET有快速本體二極體,在高溫下的Qrr約為10,000 nC,Trr約為500 ns;而SiC MOSFET的本體二極體的數值要低得多,例如最新款的25mΩ/650V SiC MOSFET的數值分別為293 nC and 22 ns。由於圖騰柱拓樸要求出色的本體二極體性能,Si MOSFET由於其反向恢復時的Qrr和Trr較大,並不是實用的解決方案。雖然在單相和三相圖騰柱拓樸中可以使用絕緣閘雙極型電晶體(IGBT),但它通常具有較高的開關損耗和導通損耗,從而限制了最大開關頻率。多階IGBT轉換器解決了部分開關問題,但需採用更複雜的控制方法,而且通常需要多個元件和閘極驅動器,增加了系統成本。 

SiC可以實現簡單高效的拓樸,例如單相和三相圖騰柱拓樸,在實現更高功率密度的基礎上還可以具備更多功能。它能夠降低開關損耗,可以運行更高的開關頻率,並可以提高功率密度,減少磁性元件的重量、尺寸和成本。它的導通電阻Rds(on) 較低,效率可超過99%。同時,由於元件較少且控制形式較簡單,往往能夠降低整體系統成本。 

Wolfspeed的SiC產品組合使用分立元件(低功率應用)和功率模組(高功率應用),可支援多種功率範圍,1kW至600kW或更高。電壓範圍涵蓋650V至1,700V的共五十多種產品,具備較高的拓樸靈活性,能夠滿足功率密度、效率和可擴展解決方案的規格。 

根據不同的具體應用,分立式SiC元件或基於SiC的模組有助於實現不同功率等級和功能的設計。離散式MOSFET元件包括凱爾文源極接腳,可以控制源極,使其旁路任何封裝導致的寄生參數(這些寄生在開關過程中產生感應電壓)。(見圖2,使用凱爾文源極接腳進行最佳化控制的範例)。 

圖2

對於較高功率應用,Wolfpack系列模組可以直接替換現有的解決方案,同時充分利用經過最佳化的SiC性能,得到最大的載流能力(受益於最小化的雜散電感)。BM2、BM3、FM3和GM3模組採用完善的封裝形式,輕易地實現了多貨源供應。而XM3和HM3模組則是專為最佳化性能和出色電流能力而設計的客製化模組。 

結合PLECS模型使用SpeedFit ,可以幫助設計人員建模並模擬完整的電子電力設備系統,包括進行熱/損耗建模並模擬數據表特徵,從而找到適合的元件。這些模擬模型都是基於真實結果,可以提供預期性能的視覺化展示。(見圖3)  

圖3

此外,SpeedFit可在網頁上進行模擬,它包括完整的模型庫,可利用額外的軟體實現設計靈活性。它已預先加載多種常用的拓樸結構,可使用準確的損耗模型進行快速模擬,從而驗證設計。 

為SiC MOSFET設計閘極驅動器時,必須考慮多個關鍵因素。以下列出一些應可滿足Wolfspeed SiC MOSFET應用的典型規格。 

  • 隔離︰共模瞬態抗擾度大於100 kV/µs 
  • 絕緣︰最大工作絕緣電壓(VIORM
  • 驅動能力︰高達5A 
  • 傳播延遲時間︰50 ns或更佳 
  • 通道失配時間︰10 ns或更佳 
  • 主動式米勒箝制 
  • 閘極電源電壓︰15V/-4 V 

為了滿足這些標準,Wolfspeed還提供了評估工具和資源,以協助設計人員選擇合適的拓樸方式和元件。例如,Analog Devices的ADI AduM4146是一款參考設計,它包括一個隔離單通道驅動器,可驅動Wolfspeed的SiC MOSFET,還有Silicon Labs提供的Si823Hx隔離雙通道驅動器,可用於半橋方案。德州儀器公司的UCC21710可提供高達10 A的驅動能力。所有這些都整合在現成、即插即用的平台上,用於評估Wolfspeed SiC MOSFET。 

Wolfspeed參考設計/套件,以及SiC與IGBT的比較 

CRD-06600FF065N-K是一款參考設計,可配置為電動汽車充電用的單相6.kW雙向車載充電器(OBC),同時還可作為「可並網」的電力儲能裝置。它包括一個圖騰柱PFC (AC/DC)級和一個隔離雙向CLLC DC/DC級,系統峰值效率可達96.5%,功率密度達3.3 kW/L(見圖4)。對於正在開發中的電動汽車和並網儲能應用來說,這款設計是絕佳的出發點,它可以對Wolfspeed分立元件進行全面的評估和測試,並提供一套設計文件,包括設計原理圖、佈局圖和相關韌體在內。 

圖4

在開發過程中,也可以參考另一款高效(22 kW時為98.5%)較高功率、三相雙向充電器設計,可用於評估分立元件,並在開發時作為指引。這款設計採用了Wolfspeed的1,200 V 32-mΩ SiC MOSFET,配置在兩級、六開關的PFC和逆變器中。

對於需要多個MOSFET的較高功率應用,可以考慮使用Wolfpack的功率模組。例如,25 kW主動式前端(AFE)可以使用FM3系列模組(包含6個SiC MOSFET),可與適合的散熱片、磁性元件、閘極驅動器、電壓/電流感測器和控制器配合使用。此外,建議添加一些與安全有關的功能,例如軟啟動、保險絲和EMI/EMC濾波器。圖5顯示了這種設置(MOSFET位於「功率級」)。採用相同的配置,對Wolfpack FM3模組與Si IGBT進行了對比測試,測試發現,SiC的開關頻率可以加快五倍(最高達100 kHz),其損耗降低400 W以上(運行條件為25 kW、480 V輸入和800 V輸出)。採用SiC獲得的性能還帶來了一些額外好處,例如濾波器尺寸更小,整體效率更高(比IGBT高2%),節省運作成本。

圖5

對更高功率(200 kW)的AFE/逆變器進行了類似的比較。CAB400M12XM3 SiC模組與現有的Si IGBT解決方案相比,由於它的開關頻率提高且元件尺寸更小(磁性元件、電容器和散熱元件),因此能夠顯著降低損耗、尺寸和成本。當比較性能後,我們觀察到在100 kW到300 kW條件下運行時,MX3模組的整體損耗較為平穩,約降低了1,000 W。此外,在200 kW輸出條件下,效率提高約0.75%。XM3套件可作為核心元件進行購買,包括散熱、驅動器、控制器和感測器在內。圖6顯示了使用SiC技術的200 kW AFE/逆變器和目前使用Si IGBT元件解決方案的尺寸比較。

圖6

磁性元件、PCB/系統佈局,以及如何最佳化以實現最佳效率 

在開發高開關電源的過程中,需要考慮磁性元件對功率密度和效率的影響。在由SiC實現的高開關頻率運行下,磁心和繞組的功率密度會提高,而損耗會降低,這就意味著效率更高。通常情況下,性能和系統成本往往要有所取捨,但使用SiC MOSFET有助於提高性能、降低損耗。在選擇應用的電感器時,要考慮磁芯材料和結構。一些結構不良的電感器會有明顯的「邊緣效應」,會由於渦電流而導致額外的功率損耗。 

圖7是數個功率電感器及其參數和性能的比較列表。在磁芯損耗、直流偏壓、頻率範圍和功能之間需要有所取捨。 

圖7

高能量的開關行為會造成PCB的走線和節點的dV/dt和di/dt顯著變化。在設計PCB佈局時,十分重要的是,將漏極節點的焊盤尺寸最小化,以降低耦合及寄生電容,同時使敏感訊號遠離高dV/dt走線/節點以及磁場,例如固定電感(PFC chokes)。 

當高功率漏極平面靠近閘極走線/焊盤時,會產生寄生電容,導致明顯的功率損耗。例如,800V母線上的1 cm2的PCB走線重疊區域在100 kHz運行條件下,會造成38 pF的寄生電容,造成高達1.2W的損耗(見圖8)。閘極電荷的升高會增加開關損耗,從而影響效率。另外,當閘極周圍(閘極分別與源極和漏極之間)存在雜散電感,而且當兩者之間的比例較大時,就可能會發生串擾,導致更多的鑿穿和更高的電壓尖峰。閘極訊號上增加的電容(外部閘極電阻的另一端)甚至會加劇閘極振盪,降低整體可靠性。可以減少走線長度,留意敏感走線和高dV/dt和di/dt潛力,以及仔細配置電源元件,避免在閘極、閘極驅動電路、閘極驅動器電源和MOSFET漏極之間形成重疊,便能夠將這些雜散電容最小化。上述的參考設計是SiC應用經過最佳化布局實踐的絕佳範例。

圖8

對於包含功率模組的系統,可以使用其中一些同樣的最佳化方法。當使用功率模組,並且匯流排以較高開關速度運行時,最小化整體雜散電感,從而最大限度地提高效率,這點極為重要。對於IGBT的逆變器,由於開關速度有限,雜散電感不會產生重大影響,但對於SiC逆變器,應最佳化母線和電容器的設計和選擇,以充分利用SiC的優勢。圖9是對兩者進行比較的圖示,顯示了明智的設計選擇如何能夠顯著降低雜散電感。

圖9

此外,在布局功率模組以及其他系統元件時,最好將每個模組和電容器之間的電感保持相同,同時採用較大的表面積以利於散熱。而且,最好能為直流匯流排採用疊層銅排(而不是條狀)。 

結論 

Wolfspeed的SiC分立元件和功率模組可為並網型轉換器應用帶來巨大的系統級優勢,包括承載更高電壓、更快開關頻率、更高功率密度和載流能力,能夠提高整體系統效率,同時降低被動式元件的材料清單成本。Wolfspeed擁有適合多種不同應用的豐富元件和網頁工具,可協助客戶評估元件,還能提供多種可加快產品上市的參考設計,讓設計人員更有把握與信心。 

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