碳化硅模塊在太陽(yáng)能逆變器中的應用

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， 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%呈現顯著(zhù)增長(cháng)^[1]。盡管太陽(yáng)能的應用規模還無(wú)法獨占鰲頭一風(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應用工程師)

1   光伏裝置的模塊化安裝

光伏裝置規模各異，從僅為家庭微電網(wǎng)提供數百瓦電力的小型電源， 大到可產(chǎn)出數干兆瓦功率的公用事業(yè)級裝置。幾乎所有情況下，太陽(yáng)能板產(chǎn)生的直流電都需要轉換成標準交流線(xiàn)路電壓，以便與現有負載兼容或并網(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)電系統安裝示意圖

由于太陽(yáng)能陣列涉及的功率等級廣泛，因此通常將帶有獨立逆變器的面板“ 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，但它們具有可擴展性和容錯性的優(yōu)勢，且無(wú)需重型吊裝設備即可部署。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。

對于較高功率等級，升壓轉換器和逆變器的半導體開(kāi)關(guān)傳統上采用IGBT，多千瓦級應用則使用硅基寬帶隙的碳化硅(SiC)開(kāi)關(guān)成為考慮對象。這些開(kāi)關(guān)通?？蛇_1,700 V的額定電壓，具有低導通電阻，可實(shí)通?？蛇_1,700 V的額定電壓，具有低導通電阻，可實(shí)現最小的傳導損耗，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)導致故障的風(fēng)險，這對于太陽(yáng)能系統的可靠性至關(guān)重要。

盡管如此，高功率應用中SiC MOSFET的導通電阻R_DS(ON)仍是一大限制因素;因為與IGBT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(cháng)，且溫度升高會(huì )還帶來(lái)另一個(gè)乘數效應。但是，考慮到包括開(kāi)SiC作為一種半導體材料，熱導率是硅的三倍，能夠更SiC作為一種半導體材料，熱導率是硅的三倍，能夠更快地將熱量從結點(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結構進(jìn)一步降低導通電阻R_DS(ON)， 并應用先進(jìn)的銀燒結結構進(jìn)一步降低導通電阻R_DS(ON)， 并應用先進(jìn)的銀燒結裸片粘貼技術(shù)改善熱性能，將開(kāi)關(guān)結溫控制在合理范圍內。這種SiC JFET與硅基MOSFET的共源共柵組合(如圖2所示) ，傳導和開(kāi)關(guān)損耗等品質(zhì)因數(FOM)表現出色，與同類(lèi)電壓等級的競品技術(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)鍵柵極驅動(dòng)，典型驅動(dòng)電壓為0-12 V,閾值電壓穩定在約5 V。相比壓才能實(shí)現完全增強;這一電壓值非常接近其絕對最大壓才能實(shí)現完全增強；這一電壓值非常接近其絕對最大如帶有電感負載的開(kāi)關(guān)死區期間，SiC MOSFET內的體如帶有電感負載的開(kāi)關(guān)死區期間，SiC MOSFET內的體二極管會(huì )導通，導致電荷恢復和前向導通功率損耗。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)能量等其它參數也優(yōu)于SiC MOSFET。

圖2 SiC FET共源共柵結構布置

3   SiC FET E1B模塊現已上市

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，并已應用于高達數十千瓦功率的場(chǎng)合。在A(yíng)PEC 2024上，Qorvo近日宣布推出了一系列采用行業(yè)標準的E1B模塊形式產(chǎn)品，旨在滿(mǎn)足太陽(yáng)能升壓DC/DC轉換器、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。模塊內部芯片的緊密集成有利于嚴格控制EMI,并可在高頻運行，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)化了熱機械設計和組裝過(guò)程，同時(shí)有助于降低系統開(kāi)發(fā)風(fēng)險并縮短開(kāi)發(fā)周期。圖4展示了E1B模塊在太陽(yáng)能升壓轉換器和逆變器中的潛在應用。

圖4 太陽(yáng)能轉換應用中的SiC FET E1B模塊

4   性能指標

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

其中，SiC FET EIB模塊的表現更佳；其采用銀燒結裸片粘貼技術(shù)實(shí)現了先進(jìn)的熱管理，熱導率高達130-250W/mK，遠超傳統焊接技術(shù)的23—53W/mK。因此，1,200V 100A半橋EIB模塊(UHB10OSC12E1BC3N)的結點(diǎn)到外殼熱阻僅為0.23° C/W。 對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，達到與硅器件相當的性能水平。這是因為在堆疊結構中，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)測試期間的熱機械應力。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(cháng)使用壽命。

5   利用SiC FET優(yōu)化效率

功率轉換拓撲結構能夠以軟開(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(電感)導通模式(CCM)，并將電流壓力水平控制在可管理范圍內。由于采用硬開(kāi)關(guān)，因此必須仔細控制轉換過(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。然而對于siC FET而言，SiC JFET的柵極無(wú)法訪(fǎng)問(wèn)；且串聯(lián)電阻在裸片內部設定，因而不可調節。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品方案，使用緩沖器電路和Qorvo E1B模塊在硬開(kāi)通轉換過(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)轉換器在關(guān)斷轉換時(shí)的總能量損耗降低了53%，優(yōu)勢更為顯著(zhù)。

圖5 采用SiC FET E1B模塊和小型緩沖器所帶來(lái)的效率提升

對于具有軟開(kāi)通轉換(零電壓開(kāi)通/ZVS )的轉換器，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。右側圖表顯示了軟開(kāi)關(guān)ZVS轉換時(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(zhù)優(yōu)勢;其能量耗散比競品部件低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；加之毫歐級別的導通電阻、高能雪崩耐受等級，以及短路承受能力，對于高效太陽(yáng)能轉換器1逆變器設計來(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計算器^TM[3]均支持E1B SiC FET模塊，能夠迅速進(jìn)行部件的評估和比較，并適用于多種拓撲結構。

6   結束語(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)勢已在E1B模塊形式中得以實(shí)現，從而拓展了其在太陽(yáng)能發(fā)電裝置等更高功率應用中的應用范圍。低傳導和開(kāi)關(guān)損耗的組合使其在同類(lèi)競爭技術(shù)中實(shí)現了最高的整體效率，從而節省了能源及冷卻成本；同時(shí)，先進(jìn)的裸片粘貼結構和材料技術(shù)改進(jìn)了熱設計，保持了較低的內部溫升，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）