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一文讀懂碳化硅設計中的熱管理

發(fā)布時間:2023-11-02 來源:安森美 責任編輯:wenwei

【導讀】隨著我們尋求更強大、更小型的電源解決方案,碳化硅 (SiC) 等寬禁帶 (WBG) 材料變得越來越流行,特別是在一些具有挑戰(zhàn)性的應用領域,如汽車驅(qū)動系統(tǒng)、直流快速充電、儲能電站、不間斷電源和太陽能發(fā)電。


這些應用有一點非常相似,它們都需要逆變器(圖 1)。它們還需要緊湊且高能效的輕量級解決方案。就汽車而言,輕量化是為了增加續(xù)航里程,而在太陽能應用中,這是為了限制太陽能設備在屋頂上的重量。


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圖 1.典型的 EV 動力總成,其中顯示了逆變器


半導體損耗


決定逆變器效率的主要因素之一是所使用的半導體器件(IGBT / MOSFET)。這些器件表現(xiàn)出兩種主要類型的損耗:導通損耗和開關損耗。導通損耗與開通狀態(tài)下的導通電阻 (RDS(ON)) 成 正比,計算方法為漏極電流 (ID) 與漏源電壓 (VDS) 的乘積。


將 SiC MOSFET 的 VDS 特性與類似 Si IGBT 的特性進行比較,可以觀察到,對于給定電 流,SiC 器件的 VDS 通常較低。還值得注意的是,與 IGBT 不同,SiC MOSFET 中的 VDS 與 ID成正比,這意味著它在低電流下的導通損耗會顯著降低。這在高功率應用(例如汽車和太陽能)中非常重要,因為它意味著在這些應用中,逆變器在其工作生命周期的大部分時間處于小功率工 況,效率會有顯著提高,損耗更低。


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圖 2.Si IGBT 和 SiC MOSFET 的 VDS 比較


驅(qū)動損耗與開關器件所需的柵極電荷 (Qg) 成正比。這是每個開關周期都需要的,使其與開關頻率成正比,并且 Si MOSFET 比 SiC 器件更大。設計人員熱衷于提高開關頻率以減小磁性元件的尺寸、重量和成本,這意味著使用 SiC 器件會帶來顯著優(yōu)勢。


熱管理影響


電源系統(tǒng)中的所有損耗都會變成熱量,這會影響元件密度,從而增加終端應用的尺寸。發(fā)熱組件不僅會升高其自身的內(nèi)部溫度,還會升高整個應用的環(huán)境溫度。為確保溫升不會限制運行甚至導致組件故障,需要在設計中進行熱管理。


SiC MOSFET 能夠在比硅器件更高的頻率和溫度下運行。由于它們可以承受更高的工作溫度,因此減少了對熱管理的需求,可以允許器件本身產(chǎn)生更大的熱量。這意味著,將基于硅的設計與等效的基于 SiC 的設計進行比較時,熱管理要求要低得多,因為 SiC 系統(tǒng)產(chǎn)生的損耗更低,并且可以在更高的溫度下運行。


通過比較,一個典型的 SiC 二極管在 80kHz 下工作時,損耗比同等硅二極管低 73%。因此, 在太陽能應用和電動汽車的大功率逆變器中,SiC 器件的效率優(yōu)勢將對降低電力系統(tǒng)的熱管理需 求產(chǎn)生非常顯著的影響,可能降低 80% 或更多。


基于SiC的電源系統(tǒng)的總成本


盡管 SiC 器件投入實際使用已經(jīng)有一段時間了,但人們認為基于 SiC 的設計最終成本將高于硅基設計,因而在某些方面減緩了 SiC 器件的采用速度。然而,若是直接比較硅基器件和SiC 器件的相對成本,而不考慮每種技術對整體系統(tǒng)成本的影響,可能會使設計人員得出錯誤的結(jié)論。


如果我們考慮 30 kW 左右的硅基電源解決方案,用于開關的半導體器件加起來約占物料清單成本的10%。主要的無源元件(電感器和電容器)占剩余成本的大部分,分別為 60% 和 30%。


雖然 SiC 器件的單位成本確實高于等效的硅基器件,但 SiC 器件的性能降低了對電感器和電容器的要求,顯著降低了系統(tǒng)的尺寸、重量和成本。僅此一項就可以將 SiC 的物料清單的總成本低于同等硅基解決方案。然而,正如我們所見,基于 SiC 的解決方案中的熱管理成本也明顯更低。因此,加上這種成本節(jié)約意味著 SiC 設計更高效、更小、更輕,而且一定程度上成本更低。


安森美 (onsemi) 最新的 1200 V 和 900 V N 溝道 EliteSiC MOSFET具有低反向恢復電荷的體二極管,可以顯著降低損耗,即使在更高的頻率下操作也是如此。芯片尺寸小有助于高頻操作,減少柵極電荷,減小米勒 (Crss) 和輸出 (Coss) 寄生電容,從而減少開關損耗。


這些新器件的 ID 額定電流高達 118 A,可提高整體系統(tǒng)效率并改善EMI,同時允許設計人員使用更少(和更?。┑臒o源元件。如果需要處理更高電流,這些器件可以配置為并聯(lián)工作,因為它們具有正溫度系數(shù)而不受溫度影響。


主要有兩種熱管理方法:主動或被動。被動方法使用散熱片或其他類似器件(例如熱管)將多余的熱量從發(fā)熱器件轉(zhuǎn)移到外殼,進而消散到周圍環(huán)境中。散熱片的散熱能力隨著尺寸的增加而增加,散熱能力與可用的表面積成正比,為了在最小的體積中實現(xiàn)最大的表面積,這通常會引入復雜的設計。


主動散熱通常涉及某種形式的降溫裝置,例如電動汽車應用中的風扇或冷卻液。由于它們會產(chǎn)生強制氣流,因此它們可以在受限空間內(nèi)提供更多散熱。然而,也有一些明顯的缺點,包括風扇可靠性和需要在逆變器外殼上開孔以允許氣流流通(這也可能導致灰塵或液體進入)。此外,風扇需要額外的電能才能運行,這會影響整體系統(tǒng)的效率。


總結(jié)


電源設計人員面臨著提供更高效、更可靠和體積更小的解決方案的挑戰(zhàn),他們正在尋求 SiC 等新技術來幫助他們應對這些挑戰(zhàn)并降低總成本。


基于 SiC 的開關器件使設計人員能夠讓系統(tǒng)在更高的溫度和頻率下以更低的損耗運行,這是應對這些挑戰(zhàn)的關鍵。此外,這些電氣性能優(yōu)勢意味著無源器件的熱管理要求和元件值的顯著降低,從而進一步降低成本和尺寸/重量。因此,SiC 方案能夠以更小的尺寸和更低的成本實現(xiàn)更高的性能水平。



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