全SiC模块与IGBT模块相比,谁更“快”

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在本文中,介绍了电动汽车(EV)电机驱动架构中的DC / DC转换器。这种电源架构可实现更低的电流和电压纹波,并具有高功率密度。它是EV的电池和电动机DC链路总线之间的重要阶段。转换器在驱动时处理来自电池的功率流,并在再生制动发生时将能量返回到电池。
 
EV的良好设计的一个重要方面是导通和开关功能中的低损耗功率开关。使用高功率和低开关损耗的SiC功率器件使其成为EV逆变器设计的理想选择。
 
ROHM正在为Venturi Formula E赛车队提供SiC功率模块,这将减少赛车中逆变器的尺寸和重量。这些SiC功率元件能够具有的较高频率也将减小车辆中任何过滤部件的尺寸,成本和重量。由于SiC器件的低损耗,冷却要求也降低,这意味着车辆中的空间更大,重量更轻。
 
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文丘里团队赛车机器
 
在Formula E赛车的第2季(2015/16)中,逆变器通常重15千克,最大功率为200千瓦。第3季(2016/17)型逆变器的尺寸缩小了19%,重量减轻到13公斤。现在在第4季(2017/18),使用完整的SiC模块,重量降至9千克,比去年减少4千克,尺寸减小30%,但功率增加10%至220千瓦。
 
与具有类似额定电流的传统IGBT模块相比,第4季模块可将开关损耗降低75%(芯片温度为150°C)。这大大提高了整个应用的能效。通过在整个高频驱动器中增加更紧凑的外围组件,以及降低开关损耗的效果,该系统现在还具有更紧凑的冷却系统。
 
使用SiC产品的优势
由于采用改进的内部模块结构的新封装以及优化的热管理架构,VENTURI Formula E团队赛车的逆变器中使用的SiC功率模块可实现大功率吞吐量。
 
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ROHM SiC电源模块架构(图片由ROHM提供)
 
ROHM在全球率先实现了搭载ROHM生产的SiC-MOSFET和SiC-SBD的“全SiC”功率模块量产。与以往的Si-IGBT功率模块相比,“全SiC”功率模块可高速开关并可大幅降低损耗。最新的模块中采用第3代SiC-MOSFET,损耗更低。
 
全SiC功率模块的结构
现在正在量产的全SiC功率模块有几种类型,有可仅以1个模块组成半桥电路的2in1型,也有可仅以1个模块组成升压电路的斩波型。有以SiC-MOSFET和SiC-SBD(肖特基势垒二极管)组成的类型,也有仅以SiC-MOSFET组成的类型。
 
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与Si-IGBT功率模块相比,开关损耗大大降低
 
处理大电流的功率模块中,Si的IGBT与FRD(快速恢复二极管)相结合的IGBT功率模块应用广泛。IGBT模块存在IGBT的尾电流和FRD的恢复电流导致开关损耗大的课题,而SiC-MOSFET和SiC-SBD组成的“全SiC”模块则可显著降低开关损耗。
 
右图为SiC-MOSFET+SiC-SBD组成的全SiC模块BSM300D12P2E001(1200V/300A)与IGBT+FRD的模块在同一环境下实测的开关损耗结果比较。
 
Eon是开关导通时的损耗(含反向恢复损耗),Eoff是开关关断时的损耗,Err是体二极管的反向恢复损耗。
 
SiC-MOSFET没有类似IGBT关断时的尾电流,因此Eoff大幅减少。反向恢复电流也几乎没有,因此Err也大幅减少。Eon也降低30%左右,因此共可降低77%的开关损耗。
 
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开关速度比IGBT更高
全SiC模块与IGBT模块相比,可实现更高速度的开关。下图为以5kHz和30kHz驱动PWM逆变器时的损耗仿真结果。从仿真结果可以看出,由于SiC模块可高速开关,因此在30kHz的条件下可减少60%的开关损耗。或者可以说,无需增加损耗即可将频率提高6倍。
 
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更低开关损耗和更高速开关的优点
开关损耗降低可提高效率,并减少发热量。这可使冷却器进一步简化。例如,可实现散热器的小型化、以自然空冷代替水冷和强制空冷。这些都有利于系统整体的小型化和降低成本。
高速开关使工作频率可以更高,有利于电感器和电容器等外围元器件的小型化。这与正常的开关电源电路相同。另外,SiC-SBD不产生短脉冲反向恢复现象,因此PWM控制无需担心短脉冲时的异常浪涌电压。
不仅有助于提高逆变器和电源的效率,还可实现小型化,这是全SiC功率模块的巨大优势。
 
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