碳化硅模塊在太陽(yáng)能逆變器中的應(yīng)用

太陽(yáng)能發(fā)電作為未來(lái)地球能源需求的一部分，受到政府與業(yè)界的共同推崇；采用率正不斷攀升——在美國(guó)， 2022年太陽(yáng)能發(fā)電占總發(fā)電量的3.4%，即1,410億千瓦時(shí)，相比2015年的0.6%呈現(xiàn)顯著增長(zhǎng)^[1]。盡管太陽(yáng)能的應(yīng)用規(guī)模還無(wú)法獨(dú)占鰲頭一風(fēng)能及其它可再生能源和核能仍將在能源領(lǐng)域占有一席之地;但理論上，僅需在得克薩斯州100英里*100英里(約占該州總面積的3.7%)面積的土地上覆蓋光伏(PV)板，即可滿(mǎn)足全美電力需求。

Mike Zhu(Qorvo應(yīng)用工程師)

1   光伏裝置的模塊化安裝

光伏裝置規(guī)模各異，從僅為家庭微電網(wǎng)提供數(shù)百瓦電力的小型電源， 大到可產(chǎn)出數(shù)干兆瓦功率的公用事業(yè)級(jí)裝置。幾乎所有情況下，太陽(yáng)能板產(chǎn)生的直流電都需要轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)交流線(xiàn)路電壓，以便與現(xiàn)有負(fù)載兼容或并網(wǎng)。通常，面板直流電通過(guò)最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)控制器升壓至直流鏈路；直流鏈路上的可選電池保證供電連續(xù)性，而逆變器(通常為雙向)則生成線(xiàn)路交流電(如圖1所示)。

圖1 太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)安裝示意圖

由于太陽(yáng)能陣列涉及的功率等級(jí)廣泛，因此通常將帶有獨(dú)立逆變器的面板“ 串聯(lián)”，并將輸出并聯(lián)；而非采用單一的高功率中央逆變器。盡管使用多個(gè)小型逆變器可能會(huì)增加硬件總成本，但它們具有可擴(kuò)展性和容錯(cuò)性的優(yōu)勢(shì)，且無(wú)需重型吊裝設(shè)備即可部署。目前，市場(chǎng)上最大的需求集中在幾千瓦(kW )至約200干瓦的逆變器，直流鏈路電壓在600V至1,500V之間。

對(duì)于較高功率等級(jí)，升壓轉(zhuǎn)換器和逆變器的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)傳統(tǒng)上采用IGBT，多千瓦級(jí)應(yīng)用則使用硅基寬帶隙的碳化硅(SiC)開(kāi)關(guān)成為考慮對(duì)象。這些開(kāi)關(guān)通?？蛇_(dá)1,700 V的額定電壓，具有低導(dǎo)通電阻，可實(shí)通?？蛇_(dá)1,700 V的額定電壓，具有低導(dǎo)通電阻，可實(shí)現(xiàn)最小的傳導(dǎo)損耗，并能在高頻下切換，動(dòng)態(tài)損耗低。這使得磁體可以更小，進(jìn)而縮減整個(gè)系統(tǒng)的尺寸、成本和重量。

作為一種寬帶隙技術(shù)，SiC不僅提供高電壓阻斷能力，還極大降低了來(lái)自地面中子或宇宙射線(xiàn)導(dǎo)致故障的風(fēng)險(xiǎn)，這對(duì)于太陽(yáng)能系統(tǒng)的可靠性至關(guān)重要。

盡管如此，高功率應(yīng)用中SiC MOSFET的導(dǎo)通電阻R_DS(ON)仍是一大限制因素;因?yàn)榕cIGBT近乎線(xiàn)性的增加情況不同，其功率耗散隨電流的“平方”增長(zhǎng)，且溫度升高會(huì)還帶來(lái)另一個(gè)乘數(shù)效應(yīng)。但是，考慮到包括開(kāi)SiC作為一種半導(dǎo)體材料，熱導(dǎo)率是硅的三倍，能夠更SiC作為一種半導(dǎo)體材料，熱導(dǎo)率是硅的三倍，能夠更快地將熱量從結(jié)點(diǎn)排出。

2   SiC FET相比SiC MOSFET在性能上的提升

Qorvo^[2]首創(chuàng)的SiC FET在多個(gè)方面優(yōu)于SiC結(jié)構(gòu)進(jìn)一步降低導(dǎo)通電阻R_DS(ON)， 并應(yīng)用先進(jìn)的銀燒結(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步降低導(dǎo)通電阻R_DS(ON)， 并應(yīng)用先進(jìn)的銀燒結(jié)裸片粘貼技術(shù)改善熱性能，將開(kāi)關(guān)結(jié)溫控制在合理范圍內(nèi)。這種SiC JFET與硅基MOSFET的共源共柵組合(如圖2所示) ，傳導(dǎo)和開(kāi)關(guān)損耗等品質(zhì)因數(shù)(FOM)表現(xiàn)出色，與同類(lèi)電壓等級(jí)的競(jìng)品技術(shù)相比更勝一籌。同時(shí)，SiC FET通常為常閉狀態(tài)，具有簡(jiǎn)單的非關(guān)鍵柵極驅(qū)動(dòng)，典型驅(qū)動(dòng)電壓為0-12 V,閾值電壓穩(wěn)定在約5 V。相比壓才能實(shí)現(xiàn)完全增強(qiáng);這一電壓值非常接近其絕對(duì)最大壓才能實(shí)現(xiàn)完全增強(qiáng)；這一電壓值非常接近其絕對(duì)最大如帶有電感負(fù)載的開(kāi)關(guān)死區(qū)期間，SiC MOSFET內(nèi)的體如帶有電感負(fù)載的開(kāi)關(guān)死區(qū)期間，SiC MOSFET內(nèi)的體二極管會(huì)導(dǎo)通，導(dǎo)致電荷恢復(fù)和前向?qū)üβ蕮p耗。然而，SiC FET的速度與SiC MOSFET不相上下，但具有更低的體二極管正向壓降，有助于提高效率。此外，總柵極電荷、輸出電容和開(kāi)關(guān)能量等其它參數(shù)也優(yōu)于SiC MOSFET。

圖2 SiC FET共源共柵結(jié)構(gòu)布置

3   SiC FET E1B模塊現(xiàn)已上市

此前，SiC FET一直以TO—247、TO—220、TO—263、TOLL等多種分立封裝形式出現(xiàn)，并已應(yīng)用于高達(dá)數(shù)十千瓦功率的場(chǎng)合。在APEC 2024上，Qorvo近日宣布推出了一系列采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的E1B模塊形式產(chǎn)品，旨在滿(mǎn)足太陽(yáng)能升壓DC/DC轉(zhuǎn)換器、DC/AC 逆變器，以及電動(dòng)汽車(chē)( EV )充電器和通用工業(yè)AC/DC等市場(chǎng)的需求(如圖3所示)。

圖3 面向SiC FET的E1B模塊封裝

額定電壓1200V的半橋模塊集成了兩個(gè)SiC FET和一個(gè)溫度傳感器，R_DS(ON)值分別為19亳歐和9.4亳歐；在25°C殼溫下額定最大連續(xù)電流分別為69A和100A。全橋模塊包含四個(gè)SiC FET和一個(gè)溫度傳感器，R_DS(ON)值分別為70亳歐和35毫歐，25。C殼溫下的額定電流分別為24A和36A。模塊內(nèi)部芯片的緊密集成有利于嚴(yán)格控制EMI,并可在高頻運(yùn)行，不受多個(gè)分立器件互連限制和變化的影響。這種集成極大地簡(jiǎn)化了熱機(jī)械設(shè)計(jì)和組裝過(guò)程，同時(shí)有助于降低系統(tǒng)開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)并縮短開(kāi)發(fā)周期。圖4展示了E1B模塊在太陽(yáng)能升壓轉(zhuǎn)換器和逆變器中的潛在應(yīng)用。

圖4 太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換應(yīng)用中的SiC FET E1B模塊

4   性能指標(biāo)

在寬帶隙器件和傳統(tǒng)硅器件中，siCFET針對(duì)給定裸片面積R_DS(ON)下的導(dǎo)通電阻，以及輸出電容R_DS(ON)和相關(guān)開(kāi)關(guān)能量R_DS(ON)方面展現(xiàn)了最佳的品質(zhì)因數(shù)(FOM)。重要的是，這些品質(zhì)因數(shù)在125° C和25° C條件下也仍?xún)?yōu)于競(jìng)品器件。這意味著在任何軟開(kāi)關(guān)或硬開(kāi)關(guān)應(yīng)用中，SiC FET都結(jié)合了低傳導(dǎo)損耗和低開(kāi)關(guān)損耗的優(yōu)勢(shì)；且在實(shí)際工作溫度范圍內(nèi)，相比于相同電壓等級(jí)的器件，總體上具備更卓越的性能表現(xiàn)。

其中，SiC FET EIB模塊的表現(xiàn)更佳；其采用銀燒結(jié)裸片粘貼技術(shù)實(shí)現(xiàn)了先進(jìn)的熱管理，熱導(dǎo)率高達(dá)130-250W/mK，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)焊接技術(shù)的23—53W/mK。因此，1,200V 100A半橋EIB模塊(UHB10OSC12E1BC3N)的結(jié)點(diǎn)到外殼熱阻僅為0.23° C/W。 對(duì)于采用裸片堆疊粘貼(硅基低壓MOSFET堆疊在SiC JFET之上)的模塊，其功率循環(huán)能力比基于SiC MOSFET的模塊提高了兩倍以上，達(dá)到與硅器件相當(dāng)?shù)男阅芩健＿@是因?yàn)樵诙询B結(jié)構(gòu)中，承載高電流的源端線(xiàn)鍵合連接到了剛性較低的硅基MOSFET上，從而減輕了功率循環(huán)測(cè)試期間的熱機(jī)械應(yīng)力。改進(jìn)的熱管理和兩倍功率循環(huán)能力共同促進(jìn)產(chǎn)品獲得更長(zhǎng)使用壽命。

5   利用SiC FET優(yōu)化效率

功率轉(zhuǎn)換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠以軟開(kāi)關(guān)模式操作以最小化動(dòng)態(tài)損耗，但升壓轉(zhuǎn)換器在較高功率水平下通常不采用這種方式;這是為了保持連續(xù)(電感)導(dǎo)通模式(CCM)，并將電流壓力水平控制在可管理范圍內(nèi)。由于采用硬開(kāi)關(guān)，因此必須仔細(xì)控制轉(zhuǎn)換過(guò)程，以最小化電壓和電流重疊造成的動(dòng)態(tài)損耗；這通常借助柵極二極管，通過(guò)選擇最優(yōu)的柵極串聯(lián)電阻以不同的開(kāi)啟和關(guān)斷值來(lái)實(shí)現(xiàn)。然而對(duì)于siC FET而言，SiC JFET的柵極無(wú)法訪(fǎng)問(wèn)；且串聯(lián)電阻在裸片內(nèi)部設(shè)定，因而不可調(diào)節(jié)。作為一種替代方案，可以使用小型緩沖器電路，通常僅使用表面貼裝尺寸的組件。Qorvo已證明，即使計(jì)入緩沖器電路的損耗，這實(shí)際上仍是一種損耗更低的解決方案。例如，圖5(左)中的測(cè)量值顯示，相比通過(guò)緩沖器電路和柵極電阻控制邊沿速率的競(jìng)品方案，使用緩沖器電路和Qorvo E1B模塊在硬開(kāi)通轉(zhuǎn)換過(guò)程中的能量損耗大約降低了32%。圖5(中)顯示，在使用緩沖器電路時(shí)，采用E1B模塊的硬開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器在關(guān)斷轉(zhuǎn)換時(shí)的總能量損耗降低了53%，優(yōu)勢(shì)更為顯著。

圖5 采用SiC FET E1B模塊和小型緩沖器所帶來(lái)的效率提升

對(duì)于具有軟開(kāi)通轉(zhuǎn)換(零電壓開(kāi)通/ZVS )的轉(zhuǎn)換器，開(kāi)通損耗幾乎為零。在這種情況下，緩沖電容的能量在ZVS過(guò)程中被回收,對(duì)硬開(kāi)關(guān)開(kāi)通事件中觀(guān)察到的開(kāi)通損耗沒(méi)有額外損失。右側(cè)圖表顯示了軟開(kāi)關(guān)ZVS轉(zhuǎn)換時(shí)關(guān)斷過(guò)程中的能量耗散，表明帶有緩沖器的Qorvo部件也具有顯著優(yōu)勢(shì);其能量耗散比競(jìng)品部件低74%。

因此，動(dòng)態(tài)損耗可控制在同類(lèi)產(chǎn)品中的最低水平；加之毫歐級(jí)別的導(dǎo)通電阻、高能雪崩耐受等級(jí)，以及短路承受能力，對(duì)于高效太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換器1逆變器設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，SiC FET解決方案成為極具吸引力的選擇。

Qorvo自家的高性能模擬器QSPICETM以及Qorvo在線(xiàn)FET-Jet計(jì)算器^TM[3]均支持E1B SiC FET模塊，能夠迅速進(jìn)行部件的評(píng)估和比較，并適用于多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

6   結(jié)束語(yǔ)

SiC FET在寬帶隙開(kāi)關(guān)的性能方面處于領(lǐng)先地位，如今這些優(yōu)勢(shì)已在E1B模塊形式中得以實(shí)現(xiàn)，從而拓展了其在太陽(yáng)能發(fā)電裝置等更高功率應(yīng)用中的應(yīng)用范圍。低傳導(dǎo)和開(kāi)關(guān)損耗的組合使其在同類(lèi)競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)中實(shí)現(xiàn)了最高的整體效率，從而節(jié)省了能源及冷卻成本；同時(shí)，先進(jìn)的裸片粘貼結(jié)構(gòu)和材料技術(shù)改進(jìn)了熱設(shè)計(jì)，保持了較低的內(nèi)部溫升，從而確保了產(chǎn)品的可靠性與使用壽命。

（本文來(lái)源于《EEPW》202407）