SiC MOSFET取代逆变器对应3倍电流IGBT

碳化硅(SiC) MOSFET的低开关损耗有助于最终系统成本的降低，即使是在低频率条件下。本文评价了运行在常规频率的常用电压源逆变器( VSI)设计中市售1200V SiC和Si模块。在低为5KHz的操作中，100A SiC模块能够取代至少一个150A Si IGBT模块，同时提供显著的性能和可靠性优势。在普通的16 KHz频率条件下工作，700A SiC模块可替代超载和导热裕量要求所需的一个高达300A Si IGBT模块。
引言
SiC是目前唯一的宽带隙材料，可满足高性能1200V和1700V器件所需的电力电子市场要求。SiC二极管技术已经在市场上蓬勃发展了超过十年，而最近许多开关己成为“全SiC”可用的电路解决方案。例如，在201 2年11月Cree公司宣布推出业界第一个完全合格、有大量文件证明的全SiC模块(CAS100H12AM1 1200V 100A SIC MOSFET模块)准备就绪立即评估／设计活动和大批量制造，如图1所示。这个50mm*90mm*25mm的半桥模块包台一个商业发布的芯片组，每个开关包括五个1200V，80毫欧第一代SiC MOSFET (CPMF-1200-S080B）和五个1200V，10A第二代SiC肖特基二极管（CPW21200S010B)。该全SiC模块用一个铝碳化硅(AISiC)基板组装，与传统的铜基板相比，可更好地匹配热嘭胀和具有更轻的重量。功率半导体与具有活性金属钎焊铜接头的Si3N4绝缘体基板是隔离，可扩展热循环和功率循环。这些模抉属性为高性能的SiC芯片提供了最大的可靠性。 VSI设计
由于显著减少了SiC器件的开关损耗，额定值100安培的SiC MOSFET有望取代额定电流高得多的Si IGBT。为了说明和量化这点，详细说明了许多DC/AC应用中个基本三相电压源
逆变器（VSI)的关键特性，如电机驱动器、不间断电源和太阳能逆变器，如表1中所示。 在这个分析中，150A和200A第六代沟道场终止Si IGBT半桥模块与100A SiC MOSFET半桥模块进行了比较（表2）。在额定电流的应用（75Arms)中100A SiC MOSFET和150A Si IGBT的正向电压降约等于Tj= 150'C（图1）。对于过载条件(90Arms)，Tj = 150℃的100A SiC MOSFET具有比150A Si IGBT高0.3V的正向压降。然而，卓越的SiC MOSFET开关能力是显而易见的，总开关损耗Eon+Eoff+Err比150A S IGBT小4倍至7倍。这使得使用SiC元件时的整体半导体损耗显著减少。即使是在低开关频率（5kHz)的应用中。降低整体半导体损耗有助于提高导热裕量（提高可靠性）或提高系统功率。 VSI仿真结果
表1中描述的VSI是使用Si IGBT制造商提供的软件，利用表2中的模块参数作为输入进行的仿真。该仿真运行了两个工作电流（标称75Arms、超载90Arms）和两个开关频率（低5KHz和适度的16KHz)，同时150A Si IGBT和100A SiC MOSFET模块都使用了相同的散热片尺寸。
表3显示，在标称及过载情况下，5KHz操作的150A Si IGBT模块保持的平均结温远低于150℃的最大额定值。然而，增加至16KHz开关频率，导致了75Arms的最大电流能力，而没有过载能力或导热裕量。为了达到20%的过载能力(90Arms)，150A  Si IGBT模块必须用200A Si IGBT模抉替代。如果需要在过载条件下的导热裕量，需要250或300A Si IGBT模块。另一方面，100A SiC MOSFET模块能够在两个频率提供针对此VSI的所有操作条件。
SiC MOSFET模块的有效开关还有助于散热的好处。在75Arms和5KHz操作时，开关损耗减少了13.7%，结温下降了2.1℃。二极管损耗减少了58.3%，导致9.2℃的结温下降。整体 半导体损耗减少了23.2%（或145.3W)。此外，散热器与外壳的温度分别降低了7.4℃和8.0C，从而提高了热界面材料的寿命。因此，SiC  MOSFET模块显著减少了损耗和具有潜在更高的可靠性，即使在低开关频率应用中。
图2示出了SiC MOSFET的总功率损耗波形的峰均比是2.81，而Si  IGBT是3.48(约24%)。在类似热阻抗条件下，在正常操作过程中，SiC MOSFET将具有比Si IGBT更低的温度纹波，这进一步增加了模块的可靠性。
随着开关频率从5KHz到16KHz的增加，SiC MOSFET技术所带来的好处更加明显。为了满足过载条件Si IGBT模块需要200A，但没有热裕量。在额定条件(75Arms)下，100A SiC MOSFET模块的整体半导体损耗是57.1%或(783.1W），低于200A Si IGBT模块。这将导致了显著更低的结、外壳和散热片温度，提供了可靠性优势。要实现导热裕量要求，需要250 A或300A Si IGBT模。
总结
VSI的仿真结果表明，100A SiC MOSFET模块能够取代150A、200A，甚至300A Si IGBT模块，同时提供更高的性能、更低的损耗和潜在的更高的可靠性。由于在系统级SiC安培额定值不等于硅安培额定值，基于SiC的设计要求评估每个系统电源的价格（美元/千瓦）作为关键成本度量，而不是每个额定安培的价格。随着SiC功率器件成本曲线的迅速向下移动，交易量的增加，生产经验，以及材料／器件的创新，全SiC模块，像CAS100H12AM1设计因减少终端系统成本，同时提供额外的性能和可靠性而获得了市场采用。