碳化硅 MOSFET 给电力电子系统带来哪些创新设计

 

我们常说，一代电力电子器件决定一代系统设计。那么，基于宽禁带半导体材料的SiC MOSFET的出现，将给电力电子系统设计带来哪些颠覆性的改变？英飞凌零碳工业功率事业部技术总监沈嵩先生，在2023英飞凌工业功率技术大会（IPAC）上，发表了《CoolSiC MOSFET 赋能电力电子系统的创新设计》的演讲。

 

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SiC MOSFET相对于Si IGBT，性能大幅度改进。主要表现在：

 

 

(a) SiC MOSFET没有拖尾电流，关断损耗大幅度降低

(b) SiC MOSFET体二极管反向恢复损耗降低

(c) SiC MOSFET导通无拐点，导通损耗降低

 

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CoolSiC MOSFET可降低损耗，提升系统功率/效率

 

 

(a) 把1500V ANPC光伏逆变器的全Si方案--F3L400R10W3S7_B11中的 D5/D6管从200A Si Diode，切换为100A SiC diode，得到新模块-- F3L400R10W3S7F_B11，系统功率从175kW上升到200kW

 

(b) 在光伏Boost中，相比于1200V 50A CH7加 Si Diode方案，1200V SiC MOSFET+SiC diode的方案，高温下开关损耗最多可降低80%。

 

(c) 氢燃料电池是新兴的应用，对能效的要求非常高。氢燃料电池车的电力电子系统主要有DCDC升压变换器和空压机。DCDC升压变换器主流方案有两种：SR boost及boost方案。两种方案英飞凌都有完整的方案提供。

 

(d) 燃料电池空压机要求高频率、高功率、高效率，只有SiC MOSFET能满足这些要求。针对空压机的35kW典型功率，英飞凌有单管和模块两种方案提供。

 

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CoolSiC MOSFET 可简化系统拓扑设计

 

 

 

(a) 2kV SiC MOSFET系列上市，TO-247PLUS-4-HCC封装增加了爬电距离和电气间隙，.XT高性能焊接技术改善了热性能。对1500VDC光伏系统带来的改变是，可以用两电平拓扑代替原来的三电平拓扑。
 

 

(b) 2kV EASY封装的DF4-19MR20W3M1HF_B11集成了4路boost，最大boost电流可达40A。模块成功应用于阳光电源，将传统Si器件的三电平电路简化为两电平电路，同时减小芯片面积约70%，轻载工况下的效率最高提升1%。

 

 

(c) SiC MOSFET可简化充电桩应用中DCDC拓扑。传统的充电桩使用650V Si MOSFET，两级LLC串联达到800V的输出电压。现在采用1200V  SiC MOSFET可以只采用一级LLC单元，意味着整体体积可降低50%，功率密度提升一倍，并且可以实现双向能量流动。

 

 

(d) 采用CoolSiC EasyPACK可提升充电桩的功率。采用FF6/8MR12W2M1HP_B11可实现双向50kW充电桩，采用三相交错CLLC拓扑，英飞凌有相应的demo板可供参考。

 

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CoolSiC MOSFET 可促成系统集成化 

 

 

 

(a) 在电机驱动应用中，SiC MOSFET导通损耗在各种工况中相比IGBT都有所降低。开关损耗方面，相同dv/dt的条件下，SiC MOSFET开关损耗最多可降低50%~60%，如果不考虑dv/dt的限制，SiC MOSFET开关损耗最多可降低90%。

 

(b) SiC MOSFET应用于伺服系统中，损耗最大可降低80%。散热方式可由主动散热改为被动散热，从而可以与电机集成。允许更大的脉冲电流，实现输出功率跳档，提升效率。

 

(c) 英飞凌推出的SMD封装的SiC MOSFET从30mohm到350mohm，可实现强制风冷条件下1Kw~9kW，自然冷却条件下400W~3kW的系列化设计

 

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CoolSiC MOSFET 带来全新系统设计

 

 

 

(a)传统的断路器由机械开关组成，通过开关柜和其它控制板实现保护、测量、联网、断合等功能。SiC MOSFET应用于智能断路器，可以将这些功能集中在一个单元中，大大缩小系统体积。

 

(b)SiC MOSFET应用于高压智能断路器，不需要考虑灭弧问题，而且能对电气表现做更精确的控制。

 

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总结

 

 

(a) 英飞凌提供完整的SiC MOSFET产品目录，单管覆盖650V~2000V，导通电阻从7mohm到350mohm。

 

(b) EASY系列的SiC MOSFET模块产品有多种拓扑，包括半桥、H桥、三相桥、booster、三电平等，最大电流等级做到2mohm。