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Uninterruptible Power Supplies

碳化矽功率模組提高至最大限度有源前端效率

Apr 08, 2022
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工程師在設計 UPS 時必須極為小心,以確保企業資料中心24/7全天候平穩運行,同時他們也意識到,他們的電源注定會成為美國每年耗電達 90 TWh 的這類設施的一部分,而這一耗電量足以達到 30 座大型有害燃煤電廠年發電量。另一種設計思路的電力工程師正在努力確保他們的快速充電器能夠快速為 EV 充電,他們也意識到電力成本及發電對環境的影響。  

任何應用領域的工程師都會關注效率、功率密度和成本這些因素。即使還未展開具體設計,他們也意識到碳化矽(SiC)技術也許是一種可行的解決方案。 

本文解決了這些問題,並通過並行比較,證明了碳化矽(SiC)是迄今為止在高功率應用中比矽基元件的更好選擇。該演示使用 UPS 和充電器系統的重要組成部分,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。 

因此,本文旨在將大家對 SiC 好處的普遍認識轉化為更清晰的理解,為現有的低效率技術開闢一條道路,從而獲得更好的基於碳化矽的設計體驗。  

面臨的廣泛挑戰 

AFE 設計中的挑戰可以概括為工程師希望完成的一系列變更: 

  1. 降低半導體元件的開關損耗和導通損耗 
  1. 更小、更輕的散熱系統 
  1. 更小、更輕的無源元件(電容器和電感器) 
  1. 上述所有變更都會降低運營成本和 BOM 成本 

任何能夠同時解決所有這些挑戰的技術,確實會對產品競爭力和環境產生重大影響。  

為何選用碳化矽? 

碳化矽使工程師能夠憑藉材料和由其形成的優異元件特性實現上文所列變更項目。 

與傳統的 Si 技術相比,SiC 元件的通態壓降為 Si 的 1/2 - 1/3,從而降低了 SiC 開關的導通損耗。由於 SiC 元件是多數載流子,因此它們的電流斜率(di/dt)比 Si 元件要高得多。擊穿場強為 Si 的 10 倍,使得相同封裝的 SiC 元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 的導熱率更高,使 SiC 元件能夠更快地傳導熱量,有助於降低系統中的散熱要求。此外,SiC 晶片溫度可以達到 250 - 300°C(而Si 可達到的溫度為 125°C),Wolfspeed 元件的結溫在不影響可靠性的前提下可以達到 175°C。這意味著這些元件可以在更高溫度下運行,散熱裝置也更小。 

與 Si 技術相比,Wolfspeed SiC 功率模組具有以下優勢: 

  • 它們以應用為目標,提供各種電壓和電流額定值、封裝尺寸以及開關和導通得到優化的模組選擇 
  • 與 IGBT 模組相比,它們的 RDS(ON) 更低 
  • 它們的開關速度更快 
  • 它們的開關損耗更低 

AFE 拓撲的應用優勢

AFE 適用於幾乎所有的並網轉換器。 1 顯示了當今新興市場的兩種主要拓撲。雙向轉換 UPS 架構包括 AFE 或整流器、DC/DC 轉換器和逆變器。在正常功率回路中,一個小電流進入 DC/DC 轉換器,維持電池充電。大部分電能通過 DC 母線回路傳輸到逆變器,在那裡為負載供電。 

在電源故障時,AFE 停止開關,DC/DC 轉換器將來自電池的電能傳輸到逆變器,為負載供電。一些應用可能還會使用電池來補償不良負載或電網側電能品質。 

Two illustrated infographs showing how an AFE is used for electric vehicles.
圖 1:AFE 將兩種應用(雙向轉換 UPS(左)和 EV 非車載快速充電器(右))接入電網,將 AC 輸入整流為 DC。

在非車載 DC 快速充電器中,AFE 將轉換器連接到電網。它將電網電壓整流為穩定的 DC 母線電壓,然後用於給電池充電。非車載充電器拓撲更簡單,AFE 直接與 DC-DC 轉換器連接,可快速為 EV 充電。 

在這兩種應用中,AFE 都使用三個半橋功率模組 - 每相一個。 

定義問題和設計目標 

基於 IGBT 的 AFE 的一個關鍵問題是它們體積大且效率低。它們具有很高的開關損耗,而且,由於它們也是重要的熱源,工程師可以選擇使用大型散熱系統,或者採取降低性能的辦法,來降低產生的熱量。但是,儘管需求略有不同,所有客戶都希望購買高效系統,而不是加熱器。 

因此,AFE 設計目標可定義為: 

  • 通過控制輸入電流的幅度來調節正常運行下的 DC 母線電壓 
  • 通過提供非常低的 THD(<5%)電流和非常高的功率因數,最大程度減少電能品質問題 
  • 最大程度降低 BOM 元件成本 
  • 縮小系統體積以實現更緊湊的系統 
  • 最大程度提升效率 

考慮到這一點,AFE 系統的 IGBT 和 SiC 變體在設計上通過調節好的 DC 母線輸出 200 kW 的高品質整流功率。 

IGBT 方案對比 SiC方案  

下文將簡單介紹基於 IGBT 和 SiC 的系統,然後通過對元件尺寸和損耗的並列比較進行深入研究。 

基於Si 的高功率設計(例如 AFE 示例)通常使用 IGBT。圖 2 顯示了功率模組電路圖及其物理散熱要求。為了使用同類最佳元件,從目前主流的 IGBT 模組選擇了一種模組,這些模組採用EconoDUAL® 封裝。該拓撲需要三個這樣的功率模組 - 圖中所示的每個紅色框包括一個功率模組、一個散熱器和兩個風扇。 

A circuit diagram with product photography of the EconoDUAL® power module and cooling systems.
圖 2:電路中的每個紅色方框包括 EconoDUAL® 功率模塊和如上所示的相關散熱系統。

可以優化該系統,以在需要 100 µH 電感器的情況下實現高達 8 kHz 的開關頻率。對於 40°C 的環境溫度,IGBT 結溫(Tj)達到 130°C,單獨的二極體晶片結溫達到 140°C。這需要一個大型散熱器和每個模組兩個風扇,即使在將開關頻率限制為 8 kHz 也需如此。 

Circuit diagram and product photography of Wolfspeed's XM3 power module and a single cooling fan.
圖 3:SiC 型電路設計中的每個紅框都使用更小的 XM3、更小的散熱器和單個散熱風扇。

基於SiC 的系統採用 Wolfspeed XM3 功率模組 CAB400M12XM3。該系統可以在更高的 25 kHz 頻率下工作,並使用 30 µH 的電感器。對於相同的 40 °C 環境溫度,MOSFET 結溫達到 164 °C。Wolfspeed 模組所帶來的高結點溫度,可説明減少熱管理成本。同樣, 3 所示的每個紅框都包含模組,其散熱要求要低得多。 

功率模組比較 

Wolfspeed 的 XM3 功率模組平台與同等額定值 62 mm 模組相比,體積減少 60%,面積減少 55%。與同等額定值的 EconoDUAL® IGBT 模組相比,其尺寸、體積和重量的減少明顯更多。 

Line up of Wolfspeed XM3 power modules from left to right: XM3, 62 mm, EconoDUAL (registered trademark).
圖 4:與 EconoDUAL® 相比,XM3 平台顯著減少了面積和體積

XM3 平台的主要特性包括: 

  • 高達 32 kW/L 的高功率密度 
  • 高達 175°C 的結溫
  • 低電感(6.7 nH) 
  • 開關損耗降低至五分之一以下 
  • 低導通損耗,無固有的拐點電壓 
  • 高可靠性氮化矽功率襯底,增強了功率迴圈能力 

在所考慮的 AFE 中,表 1將 IGBT 功率模組損耗與 CAB400M12XM3 進行了比較。

Type of Loss
IGBT Module (W)
XM3 Module (W)
IGBT/MOSFET
Conduction
16
132
IGBT/MOSFET
Turn-on switching
66
96
IGBT/MOSFET
Turn-off switching
211
91
IGBT/MOSFET
Reverse recovery
N/A
12
IGBT/MOSFET
IGBT/MOSFET total
293
331
Diode
Forward conduction
140
N/A
Diode
Reverse recovery
122
N/A
Diode
Diode total
262
N/A
Module Total
555 x 2 = 1110
331 x 2 = 662

表 1 所示,使用 Wolfpseed SiC 技術有助於通過減少總開關損耗和導通損耗來克服第一個設計挑戰,進而解決剩餘的挑戰。需要注意的是,Wolfspeed SiC MOSFET 固有體二極體的反向恢復電荷(Qrr)僅僅不到 Si 基方案的1% 。為了在一定程度上緩解這個問題,IGBT 模組還包括了單獨的二極體,從而帶來單獨且額外的損耗。 

更小、更輕的散熱系統 

Wolfspeed 的 SiC 技術實現的高 MOSFET 結溫和 XM3 的低損耗對散熱要求有立竿見影的影響。 

由於每個模組的損耗為 1.11 kW,每個 EconoDUAL® 都需要安裝在一個大型散熱器上,每個散熱器上都有一個吹吸風扇,以獲得足夠的氣流來提高散熱效率。散熱系統體積為 6.4 L/模組。 

鑒於損耗降低了 40%,XM3 需要更小的散熱器和一個風扇就能達到同樣的效果(40°C 時)。散熱系統體積僅為 3.7 L。 

Photograph showing how Wolfspeed's XM3 power module requires a smaller heatsink and only one fan, compared to a EconoDUAL® module.
图 5:XM3 将散热系统体积降低了 42%,成本降低了 70%。

散熱系統體積減少了 42%,同時還有另一個優勢 - AFE 系統熱解決方案成本降低了 70%。 

對無源元件的影響 

通過使開關頻率增加至三倍,即從 8 kHz 增加到 25 kHz,基於SiC 型的AFE 需要的無源元件更小(圖 6)。 

圖 6:SiC 型 AFE 使用的電感器(左)和電容器(右)比 IGBT 型設計所需的要小得多。

如前所述,所需的電感也可以減小至三分一,即從 IGBT 設計的 100 µH 減少到 30 µH。由此產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%。 

對於 AFE 示例所需的功率水準,XM3 設計中的磁性元件(包括磁芯和銅繞組)的成本比 IGBT 型 AFE 低 75%。 

由於開關頻率增加,對所需 DC 母線電容的影響是類似的。基於IGBT 的設計需要 1800 µF,而 基於SiC MOSFET 的設計只需要 550 µF 的電容。 6 中的並列比較說明所需電容的體積減少了 54%。 

AFE 系統級比較 

在系統層面上,SiC 使開關量增加至 3 倍,從而使控制頻寬提升至 3 倍,這繼而意味著對動態條件的回應時間更短。由於對無源元件(包括散熱系統)的需求降低,促使這些元件的總計 BOM 成本降低了 37%。 

SiC 型 AFE 的損耗也比 IGBT 型系統低 40%。對於一個每天 24 小時、每週 7 天連續運行的系統,這將導致每年節省 26 MWh 的能量。除了綠色認證,SiC 還可以以 0.10 美元/kWh 的成本將年度運營成本降低 2,591 美元。 

除了性能、無源元件 BOM 成本和運營成本,基於SiC 的系統在尺寸和重量上要小得多。與 IGBT 版本相比,系統體積減少了 42%(圖 7)。 

A 3D model of two AFE systems, comparing how small the AFE using Silicon Carbide is compared to the system using IGBT.
圖 7:並列 AFE 系統比較顯示了 SiC 系統與 IGBT 相比的部分尺寸。

結論

對額定值相似 的AFE 系統中使用同類最佳 的IGBT EconoDUAL® 和 Wolfspeed CAB400M12XM3 SiC-MOSFET 功率模組的並列比較表明,SiC 技術滿足了上文所述的設計師的一系列需求。Wolfspeed 的 XM3 平台有助於顯著提高整個系統的效率,提高系統整體回應速度和性能,減少系統範圍內的體積以實現更高的功率密度,並通過降低整體無源元件 BOM 成本來提高競爭力。 

請聯繫 Wolfspeed,瞭解有關 AFE 和其他高功率設計所選擇技術和平台的更多資訊。 

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