利用SiC和GaN實(shí)現AC-AC轉換器薄型化

最近，采用可大幅削減電力損耗的新一代功率元件的試制示例接連出現。此次邀請了安川電機，針對采用SiC功率元件的AC-AC轉換器以及采用GaN功率元件的功率調節器，介紹有關(guān)技術(shù)和取得的效果。

AC-AC轉換器尤其需要薄型化

以上介紹了SiC和GaN功率元件的應用背景。下面介紹一下開(kāi)篇提到的采用SiC功率元件的AC-AC轉換器，以及采用GaN功率元件的功率調節器的詳情。

輸出功率為45kW的薄型化AC-AC轉換器，其外形尺寸為進(jìn)深358mm×寬282mm×厚29mm(圖1)。輸出電力密度較大，約為15kW/L.

圖1：采用SiC功率元件縮小外形尺寸

AC-AC轉換器的外形尺寸只有358mm×282mm×29mm(a)。電路主要由AC-DC轉換器和逆變器構成(b)。實(shí)際由安裝有AC-DC轉換器和逆變器采用的SiC功率元件的“功率基板”、驅動(dòng)該元件的“柵極基板”以及電抗器模塊等部材構成(c)。

AC-AC轉換器由AC-DC轉換器和逆變器(DC-AC轉換)構成。具體而言，由安裝有構成AC-DC轉換器和逆變器的SiC功率元件的“功率基板”、安裝有驅動(dòng)該元件的柵極電路的“柵極基板”、負責AC-AC轉換器整體驅動(dòng)的“控制基板”、配備多個(gè)電抗器的模塊(電抗器模塊)、電源模塊以及冷卻器等構成。功率基板上配備了用于傳遞電信號和散熱的銅板。功率基板的背面安裝了收放SiC功率元件的功率模塊和平滑電容器。冷卻器采用水冷方式，不僅是功率模塊，還用來(lái)冷卻電抗器模塊。

功率模塊由羅姆制造，減薄了厚度。其中，SiC功率元件配備了肖特基勢壘二極管(SBD)和雙溝道型MOSFET.雙溝道型在柵極和源極分別設置了溝道構造。由此，與普通的溝道型SiC MOSFET相比，緩和了電場(chǎng)集中，提高了柵極絕緣膜的耐壓。

功率模塊采用“二合一”封裝品，配備單橋臂逆變器電路，額定電壓為600V，額定電流為260A.導通電阻只有3mΩ，而且能以100kHz的高頻開(kāi)關(guān)。與普通IGBT模塊的二合一封裝品相比，外形尺寸只有約1/8.功率模塊的電力損耗也只有IGBT模塊的約1/3.

實(shí)現128kW/L的輸出密度

我們把該SiC功率模塊用于A(yíng)C-AC轉換器的AC-DC轉換器和逆變器。在A(yíng)C-DC轉換器中用于提高開(kāi)關(guān)頻率，縮小被動(dòng)元件的尺寸，在逆變器中用于降低功率元件的損耗，縮小冷卻器的尺寸。逆變器部的輸出密度達到128kW/L，非常大。

此次我們把AC-DC轉換器的開(kāi)關(guān)頻率設定為原來(lái)約10倍的100kHz，縮小了電抗器。因此，電抗器模塊的尺寸為186mm×126mm×27mm，縮小至采用原AC-DC轉換器時(shí)的約1/10(圖2)。

圖2：采用小型低損耗電抗器模塊

AC-AC轉換器采用了外形尺寸只有186mm×126mm×27mm的電抗器模塊(a)。磁場(chǎng)解析結果顯示，高磁力線(xiàn)密度也能構成電抗器(b)。

不過(guò)，單純提高開(kāi)關(guān)頻率的話(huà)，用于電抗器內核的磁性材料的鐵損會(huì )增大，從而使得電力轉換裝置的效率降低。因此，內核采用了阿爾卑斯綠色器件制造的低損耗磁性材料“Liqualloy”注1.

注1：Liqualloy是非晶合金的一種，特點(diǎn)是具備與電磁鋼板不相上下的高飽和磁通密度，而且高頻成分的損耗小。

采用GaN的功率調節器準備產(chǎn)品化

本文開(kāi)篇也提到過(guò)，采用此次的SiC功率元件的AC-AC轉換器定位為旗艦產(chǎn)品，所以目前還沒(méi)有原封不動(dòng)投產(chǎn)的打算。但采用GaN功率元件的功率調節器則打算實(shí)現產(chǎn)品化，計劃2014年內投產(chǎn)。

我們開(kāi)發(fā)的是輸出功率為4.5kW的家用功率調節器。以產(chǎn)品化為前提采用了生產(chǎn)效率高的技術(shù)，同時(shí)通過(guò)GaN功率元件追求了功率調節器的高效率化和小型化。因此，雖然是研發(fā)品，但與采用Si IGBT的安川電機現有產(chǎn)品相比，電力損耗約降低一半，體積減小40%，重量減輕約27%(圖3)。效率方面，安川電機現有產(chǎn)品的最大效率約為96.5%，而開(kāi)發(fā)品達到了98%以上。

圖3：采用GaN功率元件實(shí)現小型化和高效率化

采用GaN功率元件，實(shí)現了功率調節器的小型化和高效率化。外形尺寸為350mm×200mm×150mm，與采用Si IGBT的現有產(chǎn)品相比，體積削減40%(a)。效率由現有產(chǎn)品的最大約96.5%提高到了98%以上(b)。

提高效率有很多種方法，但大多會(huì )使主電路變復雜，部件增多。因此，我們在盡量采用單純的主電路構造的同時(shí)，通過(guò)采用GaN功率元件并改善控制方法，把開(kāi)關(guān)頻率提高到了50kHz.

主電路由升壓用斬波電路、單相輸出橋接電路和正弦波濾波器等構成。GaN功率元件用于斬波電路和橋接電路。通過(guò)高頻開(kāi)關(guān)，縮小了電抗器和正弦波濾波器等的尺寸。另外，還利用GaN功率元件降低了損耗，因此效率提高，冷卻器尺寸縮小，從而為試制品的小型化做出了貢獻。

采用耐壓為600V的產(chǎn)品

所采用的GaN功率元件是耐壓為600V的GaN功率晶體管。此次采用GaN是因為，用于功率調節器時(shí)，與相同耐壓的SiC MOSFET相比，在成本方面和性能方面更具有優(yōu)勢。

成本方面，可在廉價(jià)的6英寸口徑Si基板上制作的GaN功率晶體管比SiC MOSFET更有前景。性能方面，在耐壓600V的用途中，開(kāi)關(guān)損耗和輸入容量比SiC MOSFET小。

GaN功率晶體管由美國Transphorm制造。該晶體管采用二合一功率模塊，配備單橋臂逆變器電路。額定電壓為600V，輸出電流為65A，導通電阻為34mΩ。

由于輸入容量只有相同額定電壓的超結構造Si MOSFET的1/10以下，因此柵極電路的規模非常小。柵極電路也很簡(jiǎn)單，主要由柵極驅動(dòng)IC和柵極電阻等構成。因柵極電路簡(jiǎn)單，布線(xiàn)電感較小，實(shí)現了穩定的高速開(kāi)關(guān)。

今后，為實(shí)現產(chǎn)品化，計劃降低輻射電磁噪聲、提高功率模塊的可靠性、驗證系統連接、降低電抗器的損耗等。