Boost變換器中SiC與IGBT模塊熱損耗對比研究*

*基金項(xiàng)目：湖南省教育廳科學(xué)研究優(yōu)秀青年項(xiàng)目(20B393)

0   引言

功率模塊相對于小功率的分立器件，具有更大的體積和功率，因此常用于大功率電能變換器領(lǐng)域，在大功率DC/DC 變換器行業(yè)，雖然Si IGBT 模塊仍然占據(jù)了統(tǒng)治地位，但隨著碳化硅(SiC) 模塊技術(shù)和工藝的逐步成熟，SiC 模塊將會(huì)逐步替換原來的Si IGBT;原因在于SiC模塊具有寬禁帶、耐高溫、耐高壓和低損耗的優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)行業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，SiC 模塊的關(guān)斷損耗比Si IGBT減小88%，開通損害降低34%，單位面積的導(dǎo)通阻抗更小( 硅IGBT 的1/3~1/5)，且具有更快開關(guān)速度( 硅IGBT的5~20 倍)，同時(shí)還具備高溫工作能力(SiC 器件的電路可在500 ℃ 下穩(wěn)定工作)，SIC 模塊與其他主要類型功率器件參數(shù)對比表如表1 所示^[1]。

表1 主要類型功率器件與SiC參數(shù)對比表

從表1中的數(shù)據(jù)可以看出，SiC禁帶寬度、擊穿場強(qiáng)、熱導(dǎo)率等性能都遠(yuǎn)強(qiáng)于Si IGBT。目前國際上大功率SiC模塊生產(chǎn)廠家主要有科銳、羅姆、英飛凌、三菱電機(jī)株式會(huì)社、意法半導(dǎo)體等，市場占有率最大的科銳公司其量產(chǎn)模組中單管已經(jīng)達(dá)到了1 200 V/765 A。我國也涌現(xiàn)出一批有實(shí)力的廠商，從芯片的設(shè)計(jì)、研發(fā)到制造和封裝測試，正在形成一個(gè)完整的產(chǎn)業(yè)鏈，代表性的國產(chǎn)SiC功率器件生產(chǎn)廠家有：忱芯科技、中國中車、深圳基本半導(dǎo)體有限公司等，其中忱芯科技最大功率SiC 模組已經(jīng)達(dá)到了1 700 V/700 A，可以看出，目前SiC 單個(gè)模塊的功率等級已經(jīng)接近或者達(dá)到了IGBT模塊的功率等級，在大功率電能變換領(lǐng)域，SiC 模塊替代IGBT 模塊成為了可能，因此對SiC 與IGBT 模塊開展熱損耗的對比研究很有現(xiàn)實(shí)意義。

針對SiC 模塊的應(yīng)用研究，目前主要集中在動(dòng)態(tài)性能、功率損耗計(jì)算和不同器件的對比分析^[2-3]，關(guān)于功率損耗計(jì)算方法的研究，文獻(xiàn)^[4]給出了SiC 的開關(guān)損耗模型和計(jì)算公式，但損耗的具體計(jì)算需要依賴器件的3D數(shù)據(jù)表，該數(shù)據(jù)表的獲取存在難度；在SiC模塊的性能參數(shù)對比研究方面，文獻(xiàn)^[5]通過仿真的方式對SiC與Si MOS進(jìn)行了熱損耗對比研究，但缺乏試驗(yàn)驗(yàn)證。本文在以上研究的基礎(chǔ)上，對SiC 和IGBT 器件在Boost變換器電路應(yīng)用中的熱損耗進(jìn)行對比研究，力求提供具有實(shí)用價(jià)值的SiC和IGBT模塊熱損耗計(jì)算公式，再將這兩類模塊的熱損耗差異進(jìn)行對比，直觀的體現(xiàn)出這兩類模塊的熱損耗差異，最后進(jìn)行仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證。

1   Boost變換器與熱損耗估算

1.1 熱損耗估算結(jié)果對比分析

功率器件的熱損耗主要分為導(dǎo)通損耗、開通損耗、關(guān)斷損耗和分布電容引起的附加損耗，其中主要損耗為導(dǎo)通損耗、開通損耗、關(guān)斷損耗和反向恢復(fù)損耗，以下對這4 種損耗的計(jì)算方法進(jìn)行研究。

1.2.1 導(dǎo)通損耗估算方法

由于SiC 和IGBT 導(dǎo)通過程中存在壓降，因此兩種器件均存在導(dǎo)通損耗，穩(wěn)態(tài)時(shí)導(dǎo)通損耗可用式（1）計(jì)算。

式中E_cond代表導(dǎo)通過程中產(chǎn)生的熱量；代表結(jié)溫為Tvj 時(shí)功率器件的開啟電壓；代表結(jié)溫為T_vj時(shí)功率器件的等效電阻；I_C為功率器件中的電流。Boost電路中，VT器件管和輸出二極管VD均存在導(dǎo)通損耗。

根據(jù)Boost電路的工作規(guī)律，VT管在D?T的時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通，其中D為占空比，T為周期,VT管導(dǎo)通損耗功率E_cond.vt為：

1個(gè)周期內(nèi)輸出二極管VD 在VT 關(guān)斷的過程中導(dǎo)通，因此輸出二極管導(dǎo)通損耗P_cond.vd可以用式（3）計(jì)算：

1.2.2 開通損耗估算方法

開通損耗t_on是指功率器件從關(guān)閉狀態(tài)到導(dǎo)通的過渡過程中的電流上升到正常值的10% 開始，到功率器件兩端的電壓下降到標(biāo)稱值的2% 是結(jié)束，將這段持續(xù)的時(shí)間成為t_on，在t_on的持續(xù)時(shí)間內(nèi)所消耗的能量為開通損耗功率P_on^[6]。

圖1 開通時(shí)間波形圖

開通損耗平均功率P_on由下面的公式定義：

由式（4）可知，E_on的大小與開關(guān)管中的電流和電壓有關(guān)，除此之外，還與功率器件的節(jié)溫有關(guān)，在實(shí)際應(yīng)用中，由于難以獲得功率器件精確的數(shù)學(xué)模型，因此常用試驗(yàn)和估算的方法，根據(jù)器件手冊提供的數(shù)據(jù)和曲線，利用插值的方法，可以用式（5）估算。

式中f_sw為功率器件的開關(guān)頻率，為手冊中在節(jié)溫為T_VJ時(shí)，在特定電流I_norm和電壓U_norm下工作時(shí)給出的開通損耗，I_in和U_o為Boost電路的輸入電流和輸出電壓，在Boost電路中，每個(gè)周期內(nèi)VT 存在一次開通損耗。

圖2 關(guān)斷時(shí)間波形圖

1.2.3 關(guān)斷損耗估算方法

關(guān)斷損耗P_off是指功率器件從導(dǎo)通狀態(tài)到關(guān)斷的過渡過程中，功率器件兩端電壓上升到正常值的10% 開始，到功率器件中的電流下降到標(biāo)稱值的2% 時(shí)結(jié)束，將這段時(shí)間成為t_off，在t_off的持續(xù)時(shí)間內(nèi)所消耗的能量可以用式（6）來計(jì)算^[6]。

與開通損耗相類似，E_off的大小與開關(guān)管中的電流、電壓有關(guān)和節(jié)溫有關(guān)，在實(shí)際應(yīng)用中，同樣難以獲得功率器件精確的數(shù)學(xué)模型，因此常用采用試驗(yàn)和估算的方法，根據(jù)器件手冊提供的數(shù)據(jù)和曲線，利用差值的方法，可式（7）估算：

式中為手冊中在節(jié)溫為T_VJ時(shí)，在特定電流I_norm和電壓U_norm下工作時(shí)給出的通損耗，I_in和U_o為Boost電路的輸入電流和輸出電壓，在Boost電路中，每個(gè)周期內(nèi)VT存在一次關(guān)斷損耗。

1.2.4 SIC和IGBT器件的總損耗估算結(jié)果對比

如果不計(jì)分布電容、分布電感引起的附加損耗，則功率器件的總損耗功率為導(dǎo)通損耗P_cond、開通損耗P_on和關(guān)斷損耗P_off 三者之和。

通過器件手冊可知，IGBT模塊中二極管的開關(guān)損耗主要為反向恢復(fù)損耗P_rec，而SiC 模塊中的二極管損耗非常小，可以忽略不計(jì)。

為了便于計(jì)算和對方分析，以氫燃料汽車車中廣泛使用30 kW DCDC變換器為研究對象，其主要參數(shù)如表2 所示。

表2 DCDC工作參數(shù)

根據(jù)表2中的參數(shù)，功率器件使用IGBT 作為功率模塊時(shí)，選用英飛凌公司的FF200R12KE4器件，使用SiC 作為功率模塊時(shí)，選用英飛凌的FF6MR12KM1功率器件，二者耐壓等級均為1 200 V，F(xiàn)F200R12KE4最大連續(xù)直流電流為I_C=200 A ，F(xiàn)F6MR12KM1 最大連續(xù)直流電流為I_d=250 A；二者的最大節(jié)溫均為175 ℃，假定模塊工作時(shí)實(shí)際節(jié)溫為T_VJ=125 ℃，使用功率模塊的體二極管作為輸出二極管，通過手冊查出兩種器件在節(jié)溫125℃的參數(shù)如表3所示^[7-8]。

表3 功率器件參數(shù)表

通過Boost 電路占空比計(jì)算公式可得額定點(diǎn)的占空比D≈ 0.5；為了直觀的體現(xiàn)這兩種器件熱損耗的差異，編寫Matlab 腳本程序，計(jì)算DCDC 變換器在f_sw=5kH~f_sw=50 kHz工作范圍內(nèi)，將上表中得數(shù)據(jù)帶入相應(yīng)的計(jì)算公式，得到如下圖所示的對比曲線。

圖3 不同頻率下IGBT與SiC熱損耗對比圖

2   仿真結(jié)果對比分析

以表2 中DCDC 工作參數(shù)為輸入，建立以SiC(FF6MR12KM1) 和IGBT(FF200R12KE4) 模塊為功率器件的兩種仿真模型，通過PLECS 軟件對不同開關(guān)頻率下功率器件的損耗和結(jié)溫進(jìn)行對比仿真，從圖4 左上角熱損耗功率仿真對比圖可以看出，頻率在5 kHz 及以下時(shí)，由于功率模塊的損耗主要為導(dǎo)通損耗，因此SiC 模塊和IGBT 模塊的熱損耗比較接近，但是工作開關(guān)隨著頻率的增加，IGBT 模塊的熱損耗快速加大，SiC 模塊的熱損耗緩慢增加，與此相對應(yīng)，從圖4 右上角的結(jié)溫對比圖可以看出，隨著頻率的增加，IGBT模塊的結(jié)溫迅速增加，SiC模塊的結(jié)溫增長緩慢，說明這兩類器件中，SiC 器件替代IGBT 模塊，更有助于提供工作頻率。

從圖4 的仿真值與理論計(jì)算值的對比圖可以看出，仿真值與計(jì)算值的計(jì)算結(jié)果比較接近，二者之間的差異在20%的范圍以內(nèi)，證明的了理論計(jì)算公式的正確性和準(zhǔn)確性。

圖4 仿真結(jié)果對比圖

3   試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)平臺(tái)

為了驗(yàn)證了前文熱損耗估算和仿真結(jié)果的正確性，分別使用SiC(FF6MR12KM1) 和IGBT(FF200R12KE4)兩種模塊在30 kW 的試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)平臺(tái)有Boost 升壓變換器、直流可以電源、電阻負(fù)載四部分組成。30 kW 試驗(yàn)電源參數(shù)如表2 所示。

圖5 試驗(yàn)平臺(tái)

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

通道4為功率模塊兩端的電壓，通道2為BOOST變換器的輸入電流。

圖6 工作波形圖

通過測量功率模塊的輸入功率和輸出功率計(jì)算模塊在不同工作頻率下的熱損耗，當(dāng)使用IGBT 模塊工作時(shí)，分別測量工作頻率為5、10 和15 kHz 時(shí)的熱損耗，當(dāng)使用SiC 模塊時(shí)，分別測量5、10、15、20 和50 kHz工作頻率時(shí)的熱損耗；將所測得的實(shí)際值連接成直線，實(shí)際值、計(jì)算值和仿真值對比如圖7 所示。

從圖7 可以看出，試驗(yàn)結(jié)果與仿真、理論估算的結(jié)果相吻合，工作頻率較低時(shí)，試驗(yàn)值比估算值偏小，工作頻率較高時(shí)，試驗(yàn)值比仿真偏大，造成這種現(xiàn)象的主要原因在于工作頻率較低時(shí)，熱損耗小，功率模塊的節(jié)溫低，隨著頻率的增加，熱損耗逐漸增加，功率器件的節(jié)溫也不斷升高，相同條件下，節(jié)溫越高，損耗就越大，而估算公式的計(jì)算沒有考慮節(jié)溫的變化。

圖7 試驗(yàn)值、仿真值與估算值對比圖

4   結(jié)束語

本文首先介紹了SIC 模塊和IGBT 兩種模塊基本知識，在對Boost 電路工作原理進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究了Boost電路中功率模塊熱損耗的計(jì)算方法，并給出了具體的計(jì)算公式；以30 kW DC/DC變換器為參數(shù)輸入， 對使用SIC 和IGBT兩種模塊作為功率器件，在不同工作頻率下?lián)p耗進(jìn)行理論計(jì)算、PLESE 仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證對比，理論計(jì)算、仿真和試驗(yàn)結(jié)果之間的差值在20% 以內(nèi)，證明了理論計(jì)算公式的正確性，通過兩種模塊在不同頻率下的熱損耗對比可以看出，SiC 器件在高頻下熱損耗明顯顯著低于IGBT 器件，從而可以大大提高DCDC 變換器的功率效率和降低DCDC 變換器的體積。

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年1月期）