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SiC与si -通过SiC功率半导体对变频器和DC-DC转换器系统的性能改进做出潜力评估
Juergen Biela，成员，IEEE, Mario Schweizer, Student Member, IEEE, Stefan Waffler, Student Member, IEEE，Johann W. Kolar，资深会员，IEEE。
摘要—基于广泛的带隙材料，如碳化硅(SiC)的抽选装置，与Si器件相比，在开关电平(电阻等)上有显著的性能提升。众所周知的例子是SiC二极管，例如，在逆变器驱动器中有高开关频率。在本文中，对系统级性能的影响，即在分析优化程序和原型系统的基础上，对工业变频器驱动和dc-dc变频器产生的dc-dc变换器的效率、功率密度等进行了评价。在那里，通常会被认为是由赛德斯和半毛斯人的JFETs在JFETs上。
关键词—AC-DC电源转换器，DC-DC电源转换器，SiC功率半导体开关
I 介绍
改进的功率半导体的不断发展是推动对在许多电力电子应用中有更高的功率密度和更高效率的连续增长的需求的关键因素。最近，基于宽带隙材料的制造动力装置的技术进步，例如，碳化硅(SiC)或氮化镓(GaN)，使得单极器件的操作电压范围和开关速度和/或电阻与硅动力装置相比有了显著的改善。在[1]中总结了SiC开关器件在电阻、最大阻塞电压、比电容等方面的现状。在表I中，给出了有关SiC器件的一些基本信息。有了这些新设备，就会产生一个问题:在设备级别上获得的改进可以提高系统级性能。这些性能指标包括功率电子变换器的功率密度和效率。在[1]中，研究了单相功率因数校正(PFC)系统的影响。此外，对系统级的需求已经转移到半导体的期望配置中，这与新的SiC设备提供的性能进行了比较。
表1
在低压电机驱动领域，发表了许多关于Si绝缘栅双极晶体管(IGBT)和SiC开关器件(主要是SiC jfets)比较的论文。在这里，通常情况下，矩阵变换器[2], [3]或标准逆变器[4], [5]的Si器件都被SiC器件所取代，系统性能的变化也得到了评估。根据操作点和开关频率[3]，SiC设备促进了显著的性能改进——特别是在开关损耗方面。这是由于在Si器件中所观察到的二极管反向恢复和IGBT尾电流的缺乏。半导体器件的传导损耗取决于芯片面积，因为应用设备都是单极的。因此，效率比较也依赖于被认为的芯片区域。
SiC器件的开关损耗降低，以及能够增加开关频率的相关自由不影响标准电压源逆变器的可达到功率密度，除非冷却系统，当损耗降低时可以降低。然而,可能就越高低开关损耗的开关频率有利于dc-dc变换器系统，因为它们允许减小电感和/或变压器的尺寸[6]。在中压级[7], [8]中尤其如此[0]，基于硅的快速开关器件是不存在的，未来的能量分配网络需要新的和超高效的转换器系统[9]
图1所示。低压标准马达驱动的双电平逆变器示意图。
因为在文献中，通常只对开关器件的纯替换，而没有对新设备的操作点进行优化/采用，在第二节中，首先研究了SiC器件对工业逆变器驱动的影响。在此，还讨论了系统级需求与切换元素所需的配置文件之间的关系。在第三节中考虑了dc-dc变换器系统，其中也包括了未来能量分配系统的中压dc-dc转换器。在这里，基于宽带隙材料的新型开关器件提供了与最先进的Si技术相比的巨大的性能改进。在所有考虑,结温低于175的限制◦C和SiC交换机的数据展示在表我。此外,比较总是基于芯片的面积,而不是当前的评级数据表中提供的设备制造商的芯片面积与成本成正比,和当前的评级非常依赖于应用程序,切换频率和冷却条件。
II 逆变器
低电压(lt; 1000伏)工业驱动是一个重要的功率半导体应用领域。这里,主要是两级逆变器工作在开关频率在4至16赫兹的范围和一个直流环节电压600 V的范围内使用(cf,无花果。1)。在利基应用程序中,矩阵转换器提供双向功率流和三级高等操作频率转换器也可以找到。
由于电机绕组电感较高，一般不需要较高的工作频率，如图2(a)所示，除了特殊的高速应用外，基本频率显著高于50hz，电感值通常会降低。此外，在大多数应用程序中，每千克每千克的高千瓦和/或极端功率密度也没有特别的需要。只有在集成的马达驱动器中，更高的功率密度是可取的，但在这个应用中，有一个改进的冷却系统，要求往往会得到满足。由于标准逆变器的效率已经相当高，而且大大超过了电机的效率，所以与硅基转换器相比，没有进一步的要求提高效率。
图2所示。(a)低电压工业驱动器系统要求的雷达图，当前状态以蓝色显示(= 100%)，所需的值以红色显示。根据系统要求，导出了开关器件的雷达图(b)，其中硅器件的电流状态(= 100%)用蓝色表示，开关电平的要求用黄色表示，而SiC器件的性能表现为红色。这些数字是基于[10]中提出的原型系统。(一)系统级需求。(b)组件级要求和性能。
一个主要的驱动力是成本，一个显著的减少可能导致更广泛应用的逆变器驱动器。在某些领域，还需要更高的可靠性，然而，这很难与高温操作/设备相适应。
系统要求被转换为图2(b)的开关电平，其中硅器件的当前状态以蓝色显示为参考电平(= 100%)，由此产生的要求用黄色表示，用SiC设备实现的性能表现为红色。在这里，可以看出，SiC甚至Si设备的可实现的切换速度是不需要的。通常情况下，即使是Si IGBTs也会被减速，以免损坏电机绕组的隔离/轴承，并降低电磁干扰(EMI)。此外，高击穿电压和高可能的连接温度在低电压驱动下是不需要的。只有提高SiC的电导率，才能使芯片面积缩小，而更高的可实现效率有利于逆变系统，以防止成本增加。在这里，SiC设备的高成本目前是一个重要的限制。
表II
在更一般的评论之后，讨论了SiC设备对一个实际原型系统的影响，并讨论了表二中给出的规范。这里，考虑以下场景。
1)达到98.3%的效率需要多少芯片面积?
2)在25kw /dm3中保持功率密度恒定需要多少芯片面积(考虑到这冷却系统)?
3)效率为99.3%的超高效驱动器需要多少芯片面积，即比a多1%
原型系统?
除了Si-/SiC二极管的硅IGBTs外，还考虑了表I中列出的1.2 kv JFETs和mosfet。
在图3中，给出了上述场景的结果。结果是基于一些简化的假设。首先，必须注意到只有纯硅性能被分析，所以不会考虑风扇或数字控制电子产品的额外损失。传导损耗以典型的简化设备行为为模型，即
PCond,IGBT(I) = Vf,T · I Ron,T · I^2 (1)
PCond,Diode(I) = Vf,D · I Ron,D · I^2 (2)
PCond,JFET(I) = RDS(on),J · I^2 (3)
PCond,MOSFET(I) = RDS(on),M · I^2. (4)
参数依赖于结温。对于双向JFET和MOSFET器件，假设正向和反向电流方向的损耗特性是相同的。低开关频率4 kHz, JFET和MOSFET的开关损耗远低于传导损耗，将被忽略。IGBT和二极管的开关损耗与开关能量线性伸缩[11]
图3所示。芯片的面积1.2 kv SiC JFET,1.2 kv SemiSouth JFET,1.2 kv克里族MOSFET,和Si IGBT与硅和碳化硅二极管对于三种不同的情况:(一)所有的系统都有一个效率为98.3%,(b)所有的系统都有0.3 dm3的体积,和(c)所需的芯片面积的效率提高1%,即。,为99.3%。
名义值是来自数据表值的最新一代IGBT英飞凌(1.2 kV,15)实施参数列在表i变体与SiC反平行的二极管,二极管断开能源被认为是零,和IGBT刺激能源被认为是小30%由于缺少二极管反向恢复的效果。
针对对称空间矢量调制策略，对逆变器系统的器件损耗进行了分析。对于平均传导和开关损耗的众所周知的结果不会在这里重复，但可以在[11]和[12]中找到。在进一步的步骤中，所有设备的电阻都是与通用公式(cf.，[13])相关联的。
由于开关能量对模具尺寸的依赖性，不存在一般的趋势。它们被假定为在被考虑的芯片区域范围内保持不变。
一样,热阻仅仅,Jminus;年代为每个设备是由区域相关的。30k /(W·mm2)电阻的标称值安装在[13]的数据表研究中，用于所有与技术无关的死亡
(10)
最后，假设一个具有冷却系统性能指标(CSPI) 15 W/(K·dm3)的强制空气冷却系统。这允许将热模型完全包含在优化过程中。
热沉温度可以用逆变器系统的总损耗来计算。
给出了各芯片模具的结温。
现在，方程组可以解出之前定义的不同情形。对于每一个场景中,结温为175◦C。这意味着基本的输出频率很高，因此可以使用平均设备损耗，并且不需要考虑热模型的时间行为。
对于一个固定的效率，公式直接导致芯片面积和大小的必要的散热器。对于带有反平行二极管的IGBT，二极管的芯片尺寸被假定为IGBT芯片尺寸的一半，以减少一定程度的自由。
由于SiC JFETs和SiC mosfet的内部二极管反向恢复损耗，因此假设反平行肖特基二极管，在联锁延迟期间只进行。在剩下的时间里，电流通过单极装置的通道反向流动。因此，SiC二极管的面积是相对的有利。
在过载情况下，更高的可能的结温也可以提高变换器系统的鲁棒性。用快速的SiC单极开关代替Si双极器件也需要考虑到在布局和机械设计上的寄生，因为快速开关的瞬态。
可再生能源和储能[14]。特别是在汽车领域，由于其恶劣的环境条件(如振动、温度)，其可靠性应该很高，这是很难的，尤其是考虑到高温操作时。可靠性也是电信设备的一个重要问题，因为数据中心的关闭非常昂贵。
III 直流-直流转换器
本文所考虑的第二个应用领域是dc-dc变换器，它被拆分为低压变换器——非隔离和隔离的高压隔离dc-dc变换器，将在下一步进行讨论。但是，基于图4所示的网络图，对电信和汽车应用中低压dc-dc变换器的一般要求进行了评估。
在系统层面上最重要的问题是成本，因为在这两个领域，都有相当高的成本压力和竞争激烈的市场。在汽车领域中，变频器的重量和功率密度也是第一个直接影响燃料效率的重要标准，而第二个结果来自于有限的可用空间。后者也适用于电信系统，因为地面空间的成本很高。同时，由于能源成本上升和环境问题，在过去的几年里，由于能源成本和环境问题，效率已经变得越来越重要。
工业电子学的IEEE交易，第58卷，不。2011年7月7日,
图4所示。非隔离dc-dc变换器系统的雷达图和组件级要求。这里，数字显示了如图7所示的系统的典型值。(一)系统级需求。(b)组件级要求和性能。
可再生能源和储能[14]。特别是在汽车领域，由于其恶劣的环境条件(如振动、温度)，其可靠性应该很高，这是很难的，尤其是考虑到高温操作时。可靠性也是电信设备的一个重要问题，因为数据中心的关闭非常昂贵。
这些系统级的标准导致了开关的要求，如图4(b)所示，目前的状态显示为参考值(= 100%)，以及SiC设备的可实现性能和汽车和通信领域的交换机需求。在这方面，主要是碳化硅器件的高电导率和汽车应用的较高的结温满足要求。由于操作电压通常限制在几百伏特，并且可以通过很小的额外的努力来实现软交换，因此不需要更高的屏蔽电压能力和改进的开关性能。与其他应用程序一样，SiC设备的高成本是一个主要的缺点，这极大地限制了可以在相同成本水平上使用的SiC设备的面积，从而影响到可实现的系统性能——尤其是效率。现在考虑的两个低压系统支持这一说法。
图5所示。双向推杆变流器，适用于汽车应用的表三。
表3
汽车DC-DC的规格。如图7所示。
图6所示。初级和二次电压的波形和电感电流。
答:低电压转换器
1)非隔离汽车DC-DC变换器:首先考虑无电流隔离的DC-DC变换器。这种转换器的典型应用领域是混合动力汽车或燃料电池汽车，其中的转换器用于电池、超级电容器和/或燃料电池之间的电力管理[15], [16]。在这些系统中，通常需要在制动过程中提供能量的双向能量流，并在制动过程中储存能量。
此应用程序的转换器必须满足普遍的汽车需求，例如低成本设计，并最小化组件的大小和计数。这可以通过增加开关频率和多个转炉相的交叉操作来实现。由于EMI的限制，固定频率的操作是需要的，并且需要一个高度紧凑的设计和一个低的总重量。
在图5中，所示为被考虑的双向dc-dc转换器的示意图，包括四个开关、一个电感器和两个电容器。转换器的规格是表3中列出了最重要的变频器波形，如图6所示。,初级电压v1和v2二级电压和电感电流iL Snu;门信号,它可以看到,相比正常buck-boost转换器,一个负的电流之间的电感t3和TP。采用这种特殊的调制方法，可以简单地控制变换器的软开关，提高效率。在[17]中给出了控制方法的进一步细节，在[18]中提出了一种类似的结构，即通过使用阻尼器来减少芯片面积，但是增加了电路的复杂度和被动元件的成本。
图7所示。带有150的双向推杆转换器的照片。450-V输入和输出电压，12-kW额定功率，开关频率100 kHz。
Si参考原型系统的图片如图7所示。这已经被用来验证[19]中提出的分析转换器模型，该模型用于比较Si和SiC设备的可实现性能。参考系统是基于ixy IXFB82N60P设备在四个mosfet并联用于开
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