解析三菱電機(jī)6.5kV全SiC功率模塊
發(fā)布時(shí)間:2018-09-14 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】本文介紹了6.5kV新型全SiC MOSFET功率模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣特性,相對于傳統(tǒng)的Si IGBT模塊、傳統(tǒng)全SiC MOSFET功率模塊,新型全SiC MOSFET功率模塊在靜態(tài)特性、動態(tài)特性和損耗方面優(yōu)勢明顯。
三菱電機(jī)開發(fā)了首款6.5kV全SiC(Silicon Carbide)功率模塊,采用高絕緣耐壓HV100標(biāo)準(zhǔn)封裝(100mmÍ140mm)。通過電磁仿真和電路仿真,優(yōu)化了HV100封裝的內(nèi)部設(shè)計(jì),并通過實(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)證了穩(wěn)定的電氣特性。6.5kV HV100全SiC功率模塊為了提高功率密度,將SiC SBD(Schottky Barrier Diode)與SiC MOSFET芯片集成在一起。
在續(xù)流時(shí),集成的SiC SBD會導(dǎo)通,而SiC MOSFET的寄生體二極管不會導(dǎo)通,所以避免了雙極性退化效應(yīng)發(fā)生。本文對比了Si IGBT功率模塊(Si IGBT芯片和Si二極管芯片)、傳統(tǒng)全SiC MOSFET功率模塊(SiC MOSFET芯片,無外置SBD)和新型全SiC MOSFET功率模塊(SiC MOSFET和SiC SBD集成在同一個(gè)芯片上),結(jié)果表明新型全SiC MOSFET功率模塊在高溫、高頻工況下優(yōu)勢明顯。
1、引 言
SiC材料具有優(yōu)異的物理性能,由此研發(fā)的SiC功率模塊可以增強(qiáng)變流器的性能[1-2]。相對Si芯片,全SiC芯片可以用更小的體積實(shí)現(xiàn)更高耐壓、更低損耗,給牽引變流系統(tǒng)和電力傳輸系統(tǒng)的研發(fā)設(shè)計(jì)帶來更多便利。3.3kV全SiC功率模塊已經(jīng)在牽引變流器中得到應(yīng)用,有著顯著的節(jié)能、減小變流器體積和重量等作用[3-4]。6.5kV Si IGBT模塊已經(jīng)用于高鐵和電力傳輸系統(tǒng),這些市場期待6.5kV SiC功率模塊能帶來更多好處?;诖?,三菱電機(jī)開發(fā)了6.5kV全SiC MOSFET功率模塊[5-7],其采用HV100標(biāo)準(zhǔn)封裝[8],如圖1所示。這個(gè)封裝為方便并聯(lián)應(yīng)用而設(shè)計(jì),電氣穩(wěn)定性顯得尤為重要。
本文介紹了6.5kV新型全SiC MOSFET功率模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣特性,相對于傳統(tǒng)的Si IGBT模塊、傳統(tǒng)全SiC MOSFET功率模塊,新型全SiC MOSFET功率模塊在靜態(tài)特性、動態(tài)特性和損耗方面優(yōu)勢明顯。
2、6.5kV新型SiC MOSFET功率模塊特性
2.1 集成SiC SBD的SiC-MOSFET芯片特性
HV100封裝6.5kV新型全SiC MOSFET功率模塊采用SiC MOSFET和SiC SBD一體化芯片技術(shù),最高工作結(jié)溫可達(dá)175℃。
模塊設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要難點(diǎn)是避免SiC MOSFET的寄生體二極管(PIN二極管)導(dǎo)通,一旦PIN二極管中有少子(空穴)電流流向二極管的陰極(SiC MOSFET的漏極),因?yàn)镾iC芯片外延層特性,雙極性退化效應(yīng)發(fā)生的可能性就會增加。在續(xù)流狀態(tài)下,SiC SBD的正向飽和壓降在全電流范圍內(nèi)比SiC MOSFET的寄生體二極管要低。
獨(dú)立放置的SiC MOSFET 和SiC SBD芯片如圖2(a)所示,SiC SBD的面積是SiC MOSFET芯片面積的3倍;如果將SiC SBD集成在SiC MOSFET芯片上面,如圖2(b)所示,總面積是單個(gè)SiC MOSFET芯片面積的1.05倍。集成在SiC MOSFET芯片上面的SiC SBD采用垂直元胞結(jié)構(gòu),在續(xù)流時(shí)承載全部反向電流,同時(shí)使SiC MOSFET芯片的寄生體二極管不流過電流,從而消除雙極性退化效應(yīng)。如圖2所示,由于芯片面積減小,模塊整體體積就可以減小。相對于傳統(tǒng)的Si IGBT模塊和傳統(tǒng)全SiC MOSFET功率模塊,采用相同HV100封裝的新型全SiC MOSFET功率模塊可以實(shí)現(xiàn)業(yè)界最高的功率密度。
2.2 新型SiC MOSFET功率模塊的優(yōu)化設(shè)計(jì)
6.5kV新型全SiC MOSFET功率模塊內(nèi)部采用半橋拓?fù)?,一般的大功率?yīng)用可以采用并聯(lián)連接來提高輸出功率。高電壓功率模塊在高頻下運(yùn)行,需要考慮模塊自身的寄生電容、寄生電感和寄生阻抗等。3D電磁仿真是驗(yàn)證內(nèi)部封裝結(jié)構(gòu)和芯片布局的一種有效方法。電磁干擾可能帶來三種不良的影響:一是開關(guān)過程中的電流反饋;二是上、下橋臂開關(guān)特性不一致;三是柵極電壓振蕩。電磁干擾會增加模塊內(nèi)部功率芯片布置、綁定線連接及其他電氣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。
我們構(gòu)建了6.5kV新型全SiC MOSFET功率模塊的內(nèi)部等效電路和芯片模型,通過3D電磁仿真和電路仿真,驗(yàn)證了功率模塊設(shè)計(jì)的合理性。
2.2.1
優(yōu)化開關(guān)速度
如果在模塊封裝設(shè)計(jì)時(shí)沒有考慮電磁干擾,在實(shí)際工況中,就會產(chǎn)生開關(guān)過程中的電流反饋,使芯片的固有開關(guān)速度發(fā)生變化,進(jìn)而可能造成上橋臂和下橋臂的開關(guān)速度不一致。負(fù)的電流反饋可以降低芯片的開關(guān)速度,導(dǎo)致芯片的開關(guān)損耗增加,因此開關(guān)速度的不平衡可以導(dǎo)致模塊內(nèi)部各個(gè)芯片的熱分布不一致。圖3顯示了6.5kV新型全SiC MOSFET功率模塊在有電磁干擾和無電磁干擾下的仿真開通波形,從圖中可以看出,通過優(yōu)化內(nèi)部電氣設(shè)計(jì),電磁干擾對6.5kV新型全SiC MOSFET功率模塊沒有影響。圖4為6.5kV新型全SiC MOSFET功率模塊上橋臂和下橋臂的仿真開通波形,兩者的波形幾乎完全一樣,在實(shí)際測試時(shí)也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。
2.2.2
柵極電壓振蕩抑制
在高電流密度功率模塊中,內(nèi)部有很多功率芯片并聯(lián),寄生電容和寄生電感可能組成復(fù)雜的諧振電路,從而可能造成柵極電壓振蕩。柵極電壓振蕩幅度過大,可能損壞柵極。通??梢栽龃笮酒瑑?nèi)部的門極電阻來達(dá)到抑制振蕩的目的,但是增大內(nèi)部門極電阻會造成開關(guān)損耗增加,在設(shè)計(jì)模塊時(shí),我們希望內(nèi)部柵極電阻盡可能小。借助仿真手段,在保持小的柵極電阻的情況下,我們通過優(yōu)化內(nèi)部電氣布局很好地抑制了柵極電壓振蕩。
圖5為6.5kV新型全SiC MOSFET功率模塊在優(yōu)化內(nèi)部設(shè)計(jì)之前和優(yōu)化之后的柵極電壓仿真波形。優(yōu)化之前,有一個(gè)比較大的振蕩,振幅可達(dá)13V。優(yōu)化之后,柵極電壓振蕩得到抑制,幅度只有2V,在實(shí)際測試中也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。
2.3 靜態(tài)特性參數(shù)對比
圖6為400A IGBT模塊(從額定電流1000A IGBT轉(zhuǎn)換而來)、400A傳統(tǒng)全SiC MOSFET功率模塊(不含SiC SBD)和400A新型全SiCMOSFET功率模塊通態(tài)壓降對比。在150℃時(shí),SiIGBT的通態(tài)電阻比較低,這是因?yàn)镾i IGBT是雙極性器件,而SiC MOSFET屬于單極性器件。400A傳統(tǒng)全SiC MOSFET功率模塊(不含SiC SBD)和400A新型全SiCMOSFET功率模塊芯片面積幾乎相同,所以在全溫度范圍內(nèi)其通態(tài)電阻也幾乎相同。
二極管正向壓降對比如圖7和圖8所示。圖7是各模塊件在非同步整流狀態(tài)(MOSFET不導(dǎo)通)下二極管電流特性的對比,圖8為各模塊在同步整流狀態(tài)(MOSFET導(dǎo)通)下二極管電流特性的對比。從圖中可以看出,在非同步整流狀態(tài)下,傳統(tǒng)SiC-MOSFET功率模塊的表現(xiàn)呈非線性特性;而新型全SiC MOSFET功率模塊,無論在同步整流還是非同步整流時(shí),都呈線性特征。由上,無論在MOSFET導(dǎo)通狀態(tài),還是在二極管導(dǎo)通狀態(tài),全SiC MOSFET功率模塊都表現(xiàn)出單極性器件的特性。
2.4 動態(tài)特性參數(shù)對比
圖9為新型全SiC MOSFET功率模塊在3600V/400A 在室溫和高溫下(175℃)的開通波形對比,從圖中可以看出,經(jīng)過內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化的新型全SiC MOSFET功率模塊上橋臂和下橋臂在室溫和高溫下的開關(guān)速度幾乎完全一樣,所以其室溫和高溫下的損耗也幾乎一樣。一般來說,隨著溫度的增加(載流子壽命增加),反向恢復(fù)電流也會隨之增加,但是如圖9所示,高溫下的反向恢復(fù)電荷(Qrr)相對常溫增加很少。與靜態(tài)特性一樣,新型全SiC MOSFET功率模塊在動態(tài)特性上表現(xiàn)出單極性器件的特性。
2.5 實(shí)測開關(guān)波形和開關(guān)損耗對比
圖10為傳統(tǒng)全SiC MOSFET功率模塊和新型全SiC MOSFET功率模塊的開通波形在室溫和175℃下對比,從圖中可以看出在室溫下,兩者波形很接近,但是在175℃下,傳統(tǒng)全SiCMOSFET功率模塊反向恢復(fù)電流更大,VDS下降速度更慢。而新型全SiC MOSFET功率模塊因?yàn)榉聪蚧謴?fù)電流小,所以其VDS下降速度更快。同時(shí)這些特性表明兩者的開通損耗和反向恢復(fù)損耗在室溫下非常接近,但是在高溫下,新型全SiC MOSFET功率模塊的開通損耗和反向恢復(fù)損耗相對更小,主要原因是反向恢復(fù)時(shí),新型全SiCMOSFET功率模塊的寄生體二極管不導(dǎo)通。
在175℃時(shí),傳統(tǒng)全SiC MOSFET功率模塊在開通時(shí)會有一個(gè)比較大的振蕩,而振蕩可能造成電磁干擾,進(jìn)而影響模塊的安全工作。實(shí)際應(yīng)用中,希望這個(gè)振蕩越小越好,為了抑制振蕩,可以減緩模塊開關(guān)速度或者增加外部吸收電路。但是對于新型全SiC MOSFET功率模塊,在高溫下振蕩非常小,無需采取額外措施來抑制振蕩。
在高壓全SiC MOSFET功率模塊中,造成以上差異的主要原因是傳統(tǒng)全SiC MOSFET功率模塊有一層厚的外延層,在反向恢復(fù)時(shí)會產(chǎn)生比較大的反向恢復(fù)電流。
圖11為Si IGBT模塊、傳統(tǒng)全SiC MOSFET功率模塊和新型全SiC MOSFET功率模塊的開關(guān)損耗對比(Si IGBT模塊與全SiCMOSFET功率模塊分別設(shè)置在最佳開關(guān)速度)。從圖中可以看出,全SiC MOSFET功率模塊損耗明顯小于Si IGBT模塊。并且,在175℃時(shí),新型全SiC MOSFET功率模塊比傳統(tǒng)全SiC MOSFET功率模塊開通損耗低18%,反向恢復(fù)損耗低80%。
3、損耗對比
在開關(guān)頻率fs=0.5kHz、2kHz和10kHz,PF=0.8,調(diào)制比M=1,母線電壓VCC=3600V,輸出電流IO=200A的工況下,對比了采用Si IGBT模塊(150℃)、傳統(tǒng)全SiC MOSFET功率模塊(175℃)和新型全SiC MOSFET功率模塊(175℃)的逆變器損耗,如圖12所示。從圖中可以看出,在fs=0.5kHz,通態(tài)損耗占很大比例,此時(shí)全SiC MOSFET功率模塊比Si IGBT模塊低64%,同時(shí)傳統(tǒng)全SiC MOSFET功率模塊和新型全SiC MOSFET功率模塊相差很小。
在fs=2kHz,全SiC MOSFET功率模塊比Si IGBT模塊低85%,而新型全SiC MOSFET功率模塊相對傳統(tǒng)全SiCMOSFET功率模塊低7%。在fs=10kHz,開關(guān)損耗占據(jù)很大比例,此時(shí)全SiC MOSFET功率模塊比Si IGBT功率模塊低92%,而新型全SiC MOSFET功率模塊相對傳統(tǒng)全SiCMOSFET功率模塊低16%。從以上可以看出,新型全SiCMOSFET功率模塊更適合高頻、高溫應(yīng)用。
4、結(jié) 論
三菱電機(jī)開發(fā)了業(yè)界首款采用HV100封裝的新型6.5kV全SiC MOSFET功率模塊。通過電磁仿真、電路仿真和實(shí)際測試,確認(rèn)了內(nèi)部電氣設(shè)計(jì)的合理性。同時(shí),新型6.5kV全SiC MOSFET功率模塊采用SiC SBD和SiC MOSFET一體化芯片設(shè)計(jì),減小了模塊體積,實(shí)現(xiàn)了6.5kV業(yè)界最高的功率密度。通過靜態(tài)測試和動態(tài)測試,確認(rèn)了新型6.5kV全SiC MOSFET功率模塊無論在SiC MOSFET導(dǎo)通還是SiC SBD導(dǎo)通時(shí)都表現(xiàn)出單極性器件的特性,且其SiC SBD在高溫下反向恢復(fù)電流小,沒有雙極性退化效應(yīng)。新型6.5kV全SiC MOSFET功率模塊在高溫下導(dǎo)通時(shí)VDS下降更快,其導(dǎo)通損耗更小,且沒有振蕩現(xiàn)象發(fā)生。
同時(shí),對比了Si IGBT模塊、傳統(tǒng)全SiC MOSFET功率模塊和新型全SiC MOSFET功率模塊的損耗,在開關(guān)頻率為10kHz時(shí),新型全SiCMOSFET功率模塊的損耗比Si IGBT模塊大概低92%,比傳統(tǒng)全SiC MOSFET功率模塊相對低16%。相對傳統(tǒng)全SiC MOSFET功率模塊,由于SiC MOSFET體二極管與集成的SiC SBD之間反向恢復(fù)特性的不同,新型全SiC MOSFET功率模塊在高溫、高頻等應(yīng)用工況下更有優(yōu)勢。
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