電源設計技術資訊網站

電源設計支援工具   English   简体中文   日本語   한국어

2018.11.22 SiC功率元件

全SiC功率模組的切換損耗

全SiC功率模組

全SiC功率模組與現有的功率模組相比具有SiC與生俱來的優異性能。本文將對切換損耗進行介紹,切換損耗也可以說是傳統功率模組所要解決的重大課題。

全SiC功率模組的切換損耗

全SiC功率模組與現有的IGBT模組相比,具有1)可大大降低切換損耗、2)切換頻率越高總體損耗降低程度越顯著 這兩大優勢。

下圖是1200V/300A的全SiC功率模組BSM300D12P2E001與同等IGBT的比較。左圖是基於技術規格書中的規格值的比較,Eon為開關導通損耗,Eoff為開關關斷損耗、Err為回復損耗。全SiC功率模組的Eon和Eoff都顯著低於IGBT,至於Err由於Irr幾乎沒有電流流過所以極其微小。結論是切換損耗總共可以降低77%。這是前面提到的第一個優勢。

20171128_graf_03

右圖是模擬以PWM逆變器為例的損耗,是切換頻率為5kHz和30kHz時切換損耗和傳導損耗的總體損耗。在與IGBT模組的比較中,5kHz條件下總體損耗降低了約22%。橙色部分表示切換損耗,降低的損耗大部分是切換損耗。在30kHz條件下,首先是IGBT的切換損耗大幅增加。眾所周知,這是IGBT高速切換所面對的課題。全SiC功率模組的切換損耗雖然也有所增加,但其增加比例遠低於IGBT模組。可以看出結論是:在30kHz條件下,總體損耗可降低約60%。這是前面提到的第二個優勢。

可見這正如想像的一樣,切換損耗小是由組成全SiC模組的SiC元件特性所帶來的。關於SiC-MOSFET和SiC蕭特基二極體的相關內容,有許多與Si同等產品比較的文章可以查閱並參考。

採用第三代SiC溝槽(Trench)結構MOSFET,進一步降低切換損耗

ROHM在業界中率先實現了溝槽結構SiC-MOSFET的量產。SiC功率模組已經採用了這種溝槽結構的MOSFET,使切換損耗比舊有的SiC功率模組更近一步降低。

右圖是基於技術規格書的規格值,對1200V/180A的IGBT模組、採用第二代DMOS結構SiC-MOSFET的全SiC功率模組BSM180D12P2C101、以及採用第三代溝槽結構MOSFET的BSM180D12P3C007的切換損耗比較結果。

相比IGBT,第二代的切換損耗降低了約60%,而第三代在第二代的基礎上又降低了約42%,與IGBT相比則切換損耗可降低約77%。

20171128_graf_04

20171128_graf_05

如上所述,全SiC功率模組的切換損耗大幅低於同等級IGBT模組的切換損耗,而且切換頻率越高,與IGBT模組之間的損耗差異越大。這就意味著對於IGBT模組不擅長的高速切換工作,全SiC功率模組不僅可以大幅降低損耗,還可以實現高速切換。

重點:

・與IGBT模組相比,全SiC功率模組的切換損耗大大降低。

・尤其是切換頻率越高,其損耗差異越大。

・SiC功率模組可以大幅降低損耗,並同時實現高速切換。

Power Supply Design Technical Materials Free Download

Power Supply Design Technical Materials Free Download