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2018.06.07 SiC功率元器件

全SiC功率模块的开关损耗

全SiC功率模块

全SiC功率模块与现有的功率模块相比具有SiC与生俱来的优异性能。本文将对开关损耗进行介绍,开关损耗也可以说是传统功率模块所要解决的重大课题。

全SiC功率模块的开关损耗

全SiC功率模块与现有的IGBT模块相比,具有1)可大大降低开关损耗、2)开关频率越高总体损耗降低程度越显著 这两大优势。

下图是1200V/300A的全SiC功率模块BSM300D12P2E001与同等IGBT的比较。左图是基于技术规格书中的规格值的比较,Eon为开关导通损耗,Eoff为开关关断损耗、Err为恢复损耗。全SiC功率模块的Eon和Eoff都显著低于IGBT,至于Err,由于几乎没有Irr而极其微小。结论是开关损耗总共可以降低77%。这是前面提到的第一个优势。

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右图是以PWM逆变器为例的损耗仿真,是开关频率为5kHz和30kHz时开关损耗和传导损耗的总体损耗。在与IGBT模块的比较中,5kHz条件下总体损耗降低了约22%。橙色部分表示开关损耗,降低的损耗大部分是开关损耗。在30kHz条件下,首先是IGBT的开关损耗大幅增加。众所周知,这是IGBT高速开关所面对的课题。全SiC功率模块的开关损耗虽然也有所增加,但其增加比例远低于IGBT模块。可以看出结论是:在30kHz条件下,总体损耗可降低约60%。这是前面提到的第二个优势。

可见这正如想象的一样,开关损耗小是由组成全SiC模块的SiC元件特性所带来的。关于SiC-MOSFET和SiC肖特基势垒二极管的相关内容,有许多与Si同等产品比较的文章可以查阅并参考。

采用第三代SiC沟槽MOSFET,开关损耗进一步降低

ROHM在行业中率先实现了沟槽结构SiC-MOSFET的量产。SiC功率模块已经采用了这种沟槽结构的MOSFET,使开关损耗在以往SiC功率模块的基础上进一步得以降低。

右图是基于技术规格书的规格值,对1200V/180A的IGBT模块、采用第二代DMOS结构SiC-MOSFET的全SiC功率模块BSM180D12P2C101、以及采用第三代沟槽结构MOSFET的BSM180D12P3C007的开关损耗比较结果。

相比IGBT,第二代的开关损耗降低了约60%,而第三代在第二代的基础上又降低了约42%,与IGBT相比则开关损耗可降低约77%。

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如上所述,全SiC功率模块的开关损耗大大低于同等IGBT模块的开关损耗,而且开关频率越高,与IGBT模块之间的损耗差越大。这就意味着对于IGBT模块不擅长的高速开关工作,全SiC功率模块不仅可以大幅降低损耗还可以实现高速开关。

关键要点:

・与IGBT模块相比,全SiC功率模块的开关损耗大大降低。

・尤其是开关频率越高,其损耗差越大。

・SiC功率模块可以大幅降低损耗并同时实现高速开关。

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