全SiC/半SiC智能功率模塊功耗研究

馮宇翔

廣東美的制冷設(shè)備有限公司 廣東順德 528311

1 引言

針對如今地球環(huán)境與能源緊缺的問題，人們在供電方面增強(qiáng)了利用可再生能源的意識；而在實(shí)現(xiàn)電力消費(fèi)時的節(jié)能方面，其也對利用電力電子器件的期待愈益迫切，預(yù)計未來將推動電力電子市場的不斷擴(kuò)大。對用于機(jī)器控制的功率器件而言，必須持續(xù)追求器件的高性能化，從而達(dá)到低損耗化。目前普遍采用的Si功率器件，尤其是IGBT，隨著時代的更新，應(yīng)力求提高其性能，以支撐人們生活和工業(yè)上的需求。但是，在產(chǎn)品設(shè)計階段，對器件性能改善的要求越來越嚴(yán)格，應(yīng)在Si成熟的技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行跳躍式的技術(shù)提升，以便實(shí)現(xiàn)性能上更高的突破[1]。

SiC功率模塊是全球電力電子器件領(lǐng)域重點(diǎn)的發(fā)展方向。碳化硅功率模塊已經(jīng)在一些高端領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了初期應(yīng)用，包括高功率密度電能轉(zhuǎn)換，高性能電機(jī)驅(qū)動等，具有廣闊的應(yīng)用前景和市場潛力。在SiC功率模塊領(lǐng)域，首先開始研發(fā)的是基于SiC功率二極管和硅基IGBT的混合式功率模塊。Si模塊通常由Si-IGBT與Si-PiN二極管的雙極性器件組成，如果采用單極性器件SiC-MOSFET與SiC SBD組成模塊的話，少數(shù)載流子引起積蓄電荷的影響小，恢復(fù)（recovery）電流和脈沖后的尾部（tail）電流均非常小，故從減少開關(guān)損耗的角度看，這是非常有吸引力的。但是，相比于SiC-SBD，SiC-MOSFET在量產(chǎn)上的技術(shù)難度較高，所以歷史上最早的民用SiC模塊采用的是Si-IGBT+SiC-SBD混合模塊模式。這種混合模塊配置了SiC-SBD，其恢復(fù)電流小，在空調(diào)運(yùn)行時變頻器損耗平均約減少15%[2-3]。隨著SiC器件的進(jìn)步，全SiC功率模塊不斷被開發(fā)出來。由于SiC-MOSFET制造技術(shù)的提高，全SiC模塊的可靠性也將得到保證。

2 實(shí)驗(yàn)

圖1為智能功率模塊電路結(jié)構(gòu)示意圖，模塊分為驅(qū)動部分和功率部分，其中功率部分包含開關(guān)器件IGBT和快恢復(fù)二極管FRD。

2.1 SiC功率器件的節(jié)能效果

為了研究SiC器件的節(jié)能效果，實(shí)驗(yàn)將功率器件部分全部替換為SiC器件，共設(shè)計了四款模塊，如表1、圖2所示，進(jìn)行功率器件節(jié)能效果對比。IPM-1開關(guān)器件為SiC-MOS，二極管為SiC-SBD；IPM-2開關(guān)器件為SiCMOS，二極管為Si-FRD；IPM-3開關(guān)器件為Si-IGBT，二極管為SiC-SBD；IPM-4開關(guān)器件為Si-IGBT，二極管為Si-FRD。四款模塊使用了相同的柵極驅(qū)動電阻。

IPM功耗測試電路如圖3所示，在工況穩(wěn)定的室外機(jī)工作環(huán)境下，變頻空調(diào)室外機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，用功率分析儀（橫河WT1800）測量IPM輸入功率和輸出功率，使功率分析儀自動計算出IPM的功耗。運(yùn)轉(zhuǎn)頻率可通過程序設(shè)置，在20 Hz～90 Hz之間每10 Hz為一個測量點(diǎn)，功率穩(wěn)定30分鐘后進(jìn)行測量，測量完畢后換到下一個測量點(diǎn)。

實(shí)驗(yàn)在室溫、20 Hz～90 Hz條件下進(jìn)行測試結(jié)果如圖4所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)在20 Hz～90 Hz電壓頻率條件下，全SiC模塊IPM-1功耗最低；全Si模塊IPM-4模塊功耗最高；只將開關(guān)器件替換為SiC-MOS功耗低于只將二級管替換為SiC-SBD；其功耗關(guān)系為IPM-1（SiCMOS+SiC-SBD）＜ IPM-2（SiC-MOS+Si-FRD）＜IPM-3（Si-IGBT+SiC-SBD）＜IPM-4（Si-IGBT+Si-FRD）。全SiC模塊相對于全Si模塊功耗減少約25%。

2.2 柵極電阻對節(jié)能效果的影響

實(shí)驗(yàn)設(shè)計了2款模塊，如表2、圖5所示。通過對比研究了柵極電阻值對SiC IPM的節(jié)能效果。其中，IPM-1柵極電阻值為100 Ω；IPM-5柵極電阻值為30 Ω；兩款模塊使用了相同型號的開關(guān)器件和二極管[4-5]。

實(shí)驗(yàn)在室溫條件下20 Hz～90 Hz進(jìn)行功耗對比測試如圖6所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示在20 Hz～90 Hz電壓頻率條件下，全SiC模塊IPM-5（柵極電阻為30 Ω）功耗低于IPM-1（柵極電阻為100 Ω）。

表1 模塊設(shè)計對比

表2 IPM1和IPM5模塊設(shè)計對比

圖1 六通道IPM電路示意圖

圖2單個半橋電路示意圖（a）IPM-1；（b）IPM-2；（c）IPM-3；（d）IPM-4

圖3 IPM功耗測試電路示意圖

圖4 不同功率器件組合在20 Hz～90 Hz運(yùn)行條件的功耗對比圖

圖5 單個半橋電路示意圖（a）IPM-1柵極電阻為100 Ω；（b）IPM-5柵極電阻為30 Ω

圖6 不同柵極電阻全SiC模塊在20 Hz～90 Hz運(yùn)行條件的功耗對比圖

圖7 不同柵極驅(qū)動電壓全SiC模塊在20 Hz～90 Hz運(yùn)行條件的功耗對比圖（a）Rg=100 Ω；（b）Rg=30 Ω

2.3 驅(qū)動電壓對SiC IPM能耗的影響

實(shí)驗(yàn)分別測量了IPM-1和IPM-5 MOSFET驅(qū)動為15 V和18 V的SiC IPM功耗，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，將模塊驅(qū)動電壓由15 V提升為18 V后，SiC模塊功耗降低。如圖7所示。

3 總結(jié)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：在20 Hz～90 Hz電壓頻率條件下，全SiC模塊IPM-1功耗最低；全Si模塊IPM-4模塊功耗最高；只將開關(guān)器件替換為SiC-MOS功耗低于只將二級管替換為SiC-SBD；其功耗關(guān)系為IPM-1（SiC-MOS+SiCSBD）＜IPM-2（SiC-MOS+Si-FRD）)＜IPM-3（Si-IGBT+SiC-SBD）＜IPM-4（Si-IGBT+Si-FRD）；將SiC柵極電阻降低后，SiC IPM功耗降低；增加SiCMOS柵極電壓后，SiC IPM功耗降低。適當(dāng)降低全SiC IPM的柵極電阻、增加SiC-MOS柵極電壓可以進(jìn)一步降低SiC IPM的功耗[6,7]。SiC IPM的功耗最高可降低約40%。