PCIM2024论文摘要｜新型400V SiC MOSFET用于高效三电平工业电机驱动

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400V SiC MOSFET技术商用化弥补了长期存在的200V中压MOSFET与600V超级结MOSFET之间产品和技术空缺。400 V SiC MOSFET技术开关损耗低、导通电阻小，非常适合三电平拓扑结构。本文简要介绍了该器件的设计理念，并研究了其在ANPC拓扑的三相交流通用工业驱动器中的性能，该驱动器工作在高达750 VDC的输入电压下。

 

 简 介 

 

目前400V市场还没有有竞争力的解决方案。现有的 200 V中压MOSFET通过隔离的埋入式场板进行横向电荷补偿，但将其耐压进一步提升的效果并不理想。同样，将现有采用超级结技术的600V MOSFET的耐压降低也存在问题。在这两种情况下,应用性能都会因特定的器件设计而受到影响，即输入、输出和反向恢复电荷较大，输出电容和米勒电容随漏极电压而明显下降。这些特性阻碍了这些器件在硬开关半桥或全桥拓扑结构中的普遍应用。

 

400 V SiC MOSFET器件的总体结构沿用了之前介绍的设计方法[1][2]。图1给出了元胞的横截面示意图。有源沟道沿α晶面排列，以提供最佳的沟道迁移率和最低的界面陷阱密度。栅极氧化物由深 p 阱保护，深 p 阱与半导体表面的源电极相连。由于第二沟道侧壁与 α 晶面不重合，因此不用作有源沟道。相反，掩埋 p 区沿着非活动侧壁与源电极相连。这使得元胞设计非常紧凑，再加上 α 晶面的高沟道迁移率，使得单位面积的导通电阻很低。

图1. SiC MOSFET结构横截面示意图
 

 

虽然新型400 V MOSFET与之前推出的第一代器件[2]、[3]的设计相似，但它得益于技术的不断改进，使晶胞间距明显缩小，沟道特性得到改善，漂移区特性得到更好的控制。此外，还对芯片设计进行了精心优化，以避免不必要的有效面积损失，例如通过优化结端设计。图2比较了新型400 V和650 V CoolSiC技术的一些关键器件参数。

 

图2. 400 V和650 V MOSFET的性能参数比较
 

 

新的400V SiC MOSFET 特别适合那些前级为三相/400Vac整流转换为560V直流母线电压的应用。目前，由于没有其他选择，这些应用通常采用两电平拓扑结构中的1200 V半导体。图3所示的三电平有源中性点钳位(3L ANPC)拓扑结构[4]特别适合使用400 V器件，因为直流电容器将母线电压一分为二。这样就能实现800 V的阻断能力，此外还能带来双向能量转移的好处。

 

图3. 三相3L ANPC逆变器基本示意图
 

 

如图4所示，在一个3相3电平ANPC逆变器中对器件性能进行了研究。该逆变器采用18个11 mΩ 400 V TOLL封装的SiC-MOSFET。理想情况下,栅极驱动器可为三相系统提供18个隔离的栅极驱动电压，因此采用了一种基于平面变压器正激转换器的可靠、低成本解决方案，只需一个输入即可驱动18个隔离输出。

 

图4. 带有栅极驱动器的 3 相 3L ANPC测试板

 

逆变器的开关频率为10 kHz，每个开关的dv/dt限制在5 V/ns。它采用SPWM调制。在VDC=600 V、相电流为15 A，9.74千伏安负载的条件下,逆变器的效率为 n = 99.57 %。图5和图6显示了测量到的电压和电流波形，表明开关行为平稳。

 

图5. 无散热器运行时的效率和最高外壳温度测量值

 

图6. 高压侧开关的导通和关断波形 [VDS = 300 V，ILOAD = 30 A，di/dt = 750 A/µs]

 

论文全文将提供有关器件特性的更多细节，对测试环境的更详细描述，并包括进一步的测量结果和对结果的解释。

 

参考文献

[1]    D.Peters、T.Basler、B.Zippelius、T.Aichinger、W.Bergner、R.Esteve、D.Kueck 和 R.Siemieniec:面向低栅极氧化应力和高性能的新型 CoolSiCTM 沟槽 MOSFET 技术,Proc.PCIM,纽伦堡,2017

 

[2]    R.Siemieniec、D. Peters、R. Esteve、W. Bergner、D. Kück、T. Aichinger、T. Basler 和 B. Zippelius:提供改进沟道迁移率和高可靠性的碳化硅沟道 MOSFET 概念,Proc.EPE,波兰华沙,2017 年

 

[3]    R.Siemieniec、R. Mente、W. Jantscher、D. Kammerlander、U. Wenzel 和 T. Aichinger:用于高效电源的 650 V SiC 沟槽 MOSFET,Proc.意大利热那亚 EPE,2019 年

 

[4]    T.Brückner 和 S. Bernet:有源 NPC 开关在三电平电压源逆变器中的损耗平衡》,Proc.PESC,加拿大温哥华,2001 年