全碳化硅大功率直流電源關鍵技術研究

李志君 ，黃 波 ，黃小羽 ，鄭瓊林 ，李 虹 ，邵天驄

（1.北京交通大學電氣工程學院，北京 100044；2.泰科天潤半導體科技（北京）有限公司，北京 100192；3.國網(wǎng)北京市電力公司電纜分公司，北京 100020）

大功率直流電源作為一種二次電源，是電力電子產(chǎn)業(yè)的基礎產(chǎn)品，被廣泛應用于工業(yè)和消費的各行各業(yè)中。半導體器件的特性影響著大功率直流電源的性能，而傳統(tǒng)硅（Si）基半導體功率器件已經(jīng)逐漸逼近了硅材料的極限[1-2]。近年來，為突破器件極限，以碳化硅 SiC（silicon carbide）和氮化鎵 GaN（gallium nitride）為代表的第三代半導體產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，成為世界各國爭相搶占的技術資源[3-5]。隨著全球半導體產(chǎn)業(yè)逐步向亞洲轉(zhuǎn)移，我國發(fā)展半導體產(chǎn)業(yè)的決心和支持力度空前加大，發(fā)展第三代功率半導體產(chǎn)業(yè)正當時[6]。

電力電子技術的發(fā)展，對大功率直流電源的功率等級、功率密度、模塊化和綠色化提出了更高的要求[7]。寬禁帶功率半導體器件的快速發(fā)展和商業(yè)化，為大功率直流電源領域帶來了技術革新的契機。一般而言，寬禁帶材料的能隙、擊穿電場、導熱系數(shù)、電子遷移率和熔點都顯著高于傳統(tǒng)Si材料[8]，這些特性使得基于寬禁帶材料的半導體功率器件能夠在比傳統(tǒng)Si器件高得多的電壓、開關頻率和溫度下工作[9-10]。其中SiC器件主要用于高壓、大功率（600 V以上，kW以上）應用，特別是大功率直流電源場合[2-11]。文獻[12]將SiC功率半導體器件用于Swiss Rectifier，獲得了高達99.3%的效率；文獻[13]設計搭建了一臺1.1 kW的SiC半橋功率因數(shù)校正變換器PFC（power factor corrector），其峰值效率達 99.2%；文獻[14]成功研制了1 kW的全SiC升壓型DC-DC變換器，開關頻率達800 kHz。雖然SiC器件可使電源獲得高效率、高頻率的優(yōu)良性能，但在大功率直流電源領域，仍然有技術進步的空間。這主要是因為，相比于傳統(tǒng)Si器件，SiC器件高速開關引入了較大電磁干擾[15]且目前成本劣勢較大[16]。為成本考慮，選型時SiC器件安全工作裕量較傳統(tǒng)Si器件小時將導致全SiC電源的抗沖擊能力較全Si電源的差。因此，對于大功率直流電源領域，尚需要進一步平衡全SiC電源的性能和成本。

本文首先對比分析典型大功率直流電源的全SiC和全Si拓撲方案，揭示全SiC大功率直流電源在可靠性和電磁兼容性能方面的挑戰(zhàn)；其次，針對可靠性問題，研究并提出面向網(wǎng)壓變化和過流故障的大功率全SiC電源嵌入式保護策略，針對傳導干擾較大的問題，研究設計了兩級式電磁兼容濾波器；最后，實驗驗證所提嵌入式保護策略和電磁兼容濾波器的有效性，并針對功率密度、效率和成本等關鍵技術和指標，對全SiC拓撲方案和全Si拓撲方案進行對比實驗研究。本文將為SiC器件在大功率電能變換中的應用提供有效參考和堅實依據(jù)。

1 全SiC大功率直流電源的結構

大功率直流電源在需要大電流的行業(yè)，如電解、充電、電鍍、電加工和電力操作等具有廣泛的應用價值。本文以典型的電解場合為例，具體分析研究。

圖1為大功率整流器的外形（圖（a））和內(nèi)部電源模塊（圖（b））。該電源采用模塊化結構，額定功率為200 kW，采用并聯(lián)結構，由10個電源模塊共同分擔電流，每個電源模塊額定功率為20 kW，將380 V/50 Hz交流電整流為110 V直流電，為負載電解槽供電。電源模塊是大功率直流電源的關鍵部件，其關鍵參數(shù)如表1所示。

圖1 大功率直流電源外形及其結構Fig.1 High-power DC power supply and its configuration

表1 功率模塊參數(shù)Tab.1 Parameters of the power module

2 大功率直流電源的全SiC和全Si電源模塊拓撲分析

大功率直流電源模塊的拓撲如圖2所示。其中，傳統(tǒng)全Si電源模塊如圖2（a）所示，采用準單級結構，輸入三相交流電，經(jīng)過三相電感濾波器和三相整流橋后整流為正弦半波，正弦半波再經(jīng)直流母線支撐電容濾波后，作為移相全橋DC/DC變換器的輸入，移相全橋DC/DC變換器將直流輸入轉(zhuǎn)換為所需的直流輸出。該拓撲中，全控器件采用硅功率器件IGBT，不可控器件采用硅器件快恢復/超快恢復二極管?？紤]硅器件IGBT開關速度和開關損耗的影響，為確保體積和功耗的平衡，一般將全Si電源模塊的開關頻率限制在20 kHz以下。在全Si方案中，整流二極管采用了基于Si的快速恢復/超高速恢復二極管。由于變壓器漏感與結電容之間存在諧振，加上反向恢復特性，在二極管關斷時會產(chǎn)生電壓尖峰，因此整流二極管采用了1 200 V額定電壓，保留了一定的安全裕量。

圖2 大功率直流電源模塊的拓撲Fig.2 Topology of the power module used in highpower DC power supply

全SiC電源模塊的拓撲如圖2（b）所示，為2級結構，其中，第1級為四象限變換器4QC（fourquadrant converter），第2級為移相全橋變換器。

第1級的功率器件為1 200 V的SiC MOSFET，開關頻率30 kHz。在交流負載下，SiC MOSFET的通態(tài)壓降是線性的且無閾值，比硅二極管的低。2種方案特性對比如圖2（c）所示，可見，全相SiC的開關損耗顯著降低，便于高頻開關應用。因此，相比全Si方案的不控整流器，第1級的變換器效率得到了提高。

第2級移相全橋軟開關變換器的開關頻率與全Si方案中的全橋變換器類似，只有2個額外的二極管用于電壓箝位。第2級開關頻率為100 kHz，是整個拓撲中的最高工作頻率。由圖2（c）可見，與全Si方案相比，移相全橋的最高開關頻率增加至原來的5倍，從20 kHz增加到100 kHz。因此，全SiC方案在磁性元件利用率、輸入電流諧波和輸入功率因數(shù)等方面均得到了提升。

但是，全SiC電源模塊拓撲中有源功率器件較多，且較多功率器件運行在10 kHz以上，因此電磁干擾對全SiC電源模塊和大功率整流器的可靠性和安全運行將是一個挑戰(zhàn)。目前全SiC大功率直流電源的研究尚面臨以下3個問題：①在安全運行和可靠性方面，目前的市場渠道獲得的SiC器件的成本較高，采用全SiC器件設計大功率電源時，設計預留的電壓、電流裕度有限，在外界沖擊條件下容易超過器件的安全工作區(qū)；②在電磁兼容性能上，SiC功率器件的高耐壓和高開關速度帶來較大的dv/dt，增大了電源系統(tǒng)對外的傳導干擾；③在大功率直流電源的整體性能方面，雖然SiC器件性能整體優(yōu)于Si器件，但考慮到較高的成本，SiC功率器件對整個直流電源系統(tǒng)性能，主要是功率密度和效率的改善作用尚缺乏實驗數(shù)據(jù)支撐。

3 全SiC電源模塊的嵌入式保護和電磁干擾濾波器

3.1 嵌入式保護

在安全運行和可靠性方面，考慮在外界沖擊條件下容易超過器件的安全工作區(qū)的情況，本文采用嵌入式保護策略加以應對。圖3展示了用于全SiC電源模塊的保護控制邏輯。其中，iabc和vabc代表輸入功率模塊的電流和電壓，IRMS代表額定電流有效值。輸入電流與2.5IRMS相比較；輸入電壓經(jīng)過微分操作模塊，再與電壓變化速率閾值相比較，根據(jù)反復試錯得到的工程經(jīng)驗，電壓變化速率閾值設置為10 V/μs。最后，將上述比較結果發(fā)送到或邏輯塊中，以生成最終的故障信號。

圖3 嵌入式保護策略框圖Fig.3 Block diagram of embedded protection strategy

為完整解釋在DSP保護策略實現(xiàn)方法，圖4給出了嵌入式保護策略的流程。輸入電壓和電流的測量是通過帶調(diào)理電路的采樣芯片來實現(xiàn)的。調(diào)理電路將測量到的輸入電壓和輸入電流送入DSP，而采樣頻率等于電源設備的開關頻率。當任意一相輸入電流瞬時值大于2.5IRMS時，DSP控制器發(fā)送過流故障信號，封鎖全SiC電源模塊中的所有功率開關器件；當電流瞬時值小于2.5IRMS時，DSP將計算輸入電壓的差分值dvk/dt。當網(wǎng)壓（即輸入電壓）變化率過大時，控制器將發(fā)送網(wǎng)壓波動標志位，封鎖PWM脈沖信號。綜上，無論是過流還是網(wǎng)壓干擾故障，都會觸發(fā)保護。采用嵌入式保護策略，實現(xiàn)了全SiC電源模塊在電網(wǎng)擾動下以及輸出接地故障情況下的安全可靠運行。

圖4 面向網(wǎng)壓擾動和過流故障的保護策略流程Fig.4 Flow chart of protection strategy for grid voltage disturbance and overcurrent fault

3.2 電磁干擾濾波器

在電磁兼容性能上，SiC功率器件的高耐壓和高開關速度帶來較大的dv/dt，增大了電源系統(tǒng)對外的傳導干擾，為了抑制SiC器件快速動作造成的傳導干擾，本文所述電源模塊嵌入了兩級式電磁兼容濾波器。圖5展示了用于全SiC電源模塊所用電磁兼容濾波器的位置和構成。如圖5（a）所示，在交流電壓和全SiC電源模塊中間，串入該電磁干擾濾波器，等效于在交流側(cè)電源與參考地（PE）之間形成一個低阻抗路徑。該電磁干擾濾波器可以減小經(jīng)過雜散電容的高頻電流，降低電源的共模輸入電流。

圖5 全SiC大功率直流電源的兩級式電磁兼容濾波器Fig.5 Two-stage EMI filter used in all SiC high-power DC power supply

SiC器件開關過程中的dv/dt噪聲干擾較大，因此，為了保證濾波器有足夠的濾波效果，全SiC電源模塊采用兩級式結構，如圖5（b）所示。每一級都由1組共模電感和2組濾波電容構成。參數(shù)選型時，推薦兩級電磁兼容濾波器的轉(zhuǎn)折頻率分別取前后兩級開關頻率的1/10，以保證完全濾除第1級四象限變換器和第2級移相全橋變換器開關動作造成的對外傳導干擾。

4 實驗結果

以圖 2（a）和（b）中的拓撲為實驗原型，進行對比實驗研究。電源模塊的外觀如圖6所示。很明顯，全SiC電源模塊的體積比傳統(tǒng)的全Si電源模塊要小。

圖6 全SiC電源模塊和全Si電源模塊外觀對比Fig.6 Appearance comparison between all-SiC power module and all-Si counterpart

由于功率器件開關頻率的增加以及磁性元件的優(yōu)化，全SiC電源模塊的重量為19 kg，僅為全Si電源模塊的40%，同樣，全SiC電源模塊的體積為19 L，僅為全Si電源模塊的32%。

4.1 全SiC電源模塊的應對短路故障

將本文研究的全SiC電源模塊進行了輸出短路故障測試，波形如圖7所示。圖中，iT為第2級移相全橋電路變壓器原邊電流，iSC為流過短路線路的電流。開始時iSC為0，電源模塊正常工作，短路線路無電流通過。一旦輸出端與線路短路，電流急劇增加，觸發(fā)過流保護。故障后約10.2 μs，通過保護封鎖PWM脈沖的形式，將iT降低為0。實驗結果表明，圖4所示嵌入式保護策略反應足夠迅速，足可用來保護電源模塊整體在輸出電壓短路過程中保護順利。

圖7 全SiC電源模塊在短路故障下的過流保護Fig.7 Overcurrent protection of all-SiC power module under short-circuit fault

為了驗證嵌入式保護策略在電網(wǎng)擾動下的有效性，將全SiC電源模塊置于惡劣的運行狀態(tài)，其輸入側(cè)的電網(wǎng)擾動是由附近電氣設備的切入和切出操作引起的，響應的波形如圖8所示，分別展示了無嵌入式保護和有嵌入式保護的2種情況，由于示波器的通道數(shù)量有限，僅展示了輸入電流ia、ib、ic和輸入電壓va信號。

圖8 全SiC電源模塊對網(wǎng)壓擾動故障的響應Fig.8 Response of all-SiC power module under grid disturbance fault

圖8（a）為不采用嵌入式保護策略的功率模塊波形。電源模塊的輸入電壓受到附近電氣設備的干擾，出現(xiàn)較大的dv/dt，如輸入電壓va波形。需要注意的是輸入電壓擾動的速度很快，擾動的瞬態(tài)時間接近采樣時間。輸入電壓的擾動導致輸入電流的浪涌尖峰，如ia、ib、ic波形，導致使用的SiC MOSFET功率模塊損壞。電網(wǎng)的擾動將危及全SiC電源模塊的安全可靠運行。

圖8（b）為采用嵌入式保護策略的功率模塊波形。全SiC電源模塊受到與圖8（a）中類似的電網(wǎng)擾動，由于輸入電壓上出現(xiàn)較大的dv/dt，此時，嵌入式保護會封鎖全部功率SiC MOSFET的PWM脈沖信號，因此，網(wǎng)壓擾動過程中，輸入電流并沒有出現(xiàn)浪涌尖峰，并安全地降低為0。

實驗結果驗證了本文嵌入式保護策略保證了在短路故障和電網(wǎng)擾動下的安全運行，提高了全SiC電源模塊的可靠性。

4.2 全SiC電源模塊的傳導干擾測試

由于SiC功率器件動作快，全SiC電源模塊獲得了優(yōu)異的性能。然而，由于同樣的原因，相比全Si電源模塊，全SiC電源模塊的干擾更嚴重。實際應用中EMI測量要求較寬的頻率范圍，從10 kHz到30 MHz。全SiC電源模塊中SiC MOSFET開關頻率高于10 kHz，對大功率整流器的可靠性和安全運行提出了挑戰(zhàn)，其電磁干擾需要處理。

根據(jù)工業(yè)標準IEC 61000-4-2，為改進電磁兼容性，對全SiC電源模塊進行了電磁干擾測試，圖9為全SiC電源模塊的EMI測量結果。由圖9可見，整流器的傳導干擾未超過電磁兼容性規(guī)定的極限。

圖9 全SiC電源模塊的EMI測量值Fig.9 EMI measurement values of all-SiC power module

4.3 全SiC和全Si電源模塊的主要特性對比

在大功率直流電源的整體性能方面，考慮到SiC器件的成本，實驗驗證全SiC策略對直流電源系統(tǒng)性能（主要是功率密度和效率）的改善作用。目前，傳統(tǒng)電源模塊在高溫環(huán)境下的可靠性已成為制約大功率直流電源工作可靠性的重要因素。由于Si功率器件的限制，全Si電源模塊的最高工作溫度為50℃，而全SiC電源模塊可以實現(xiàn)更高的功率密度和更高的最高溫度。

全Si和全SiC電源模塊的對比如圖10所示。從圖10（a）可見，全SiC電源模塊的功率密度約是全Si電源模塊的3倍；SiC材料具有優(yōu)異的高溫性能，最高工作溫度可提高到75℃。傳統(tǒng)基于IGBT的全Si電源模塊，由于其開關頻率低，單個模塊體積和重量大，會影響現(xiàn)場維護的便利性。全SiC方案非常適合于高頻、高功率密度和高溫的應用。功率器件采用SiC MOSFET，電源模塊將比全Si模塊具有更好的性能，便于現(xiàn)場維護。

圖10（b）為全SiC電源模塊與全Si電源模塊在固定負載下，輸出功率從5 kW到20 kW時的效率對比，效率曲線均隨輸出功率的增加呈上升趨勢；全SiC電源模塊在整個工作范圍內(nèi)具有較高的效率，峰值效率為95.32%；全Si電源模塊的峰值效率為94.21%。全SiC電源模塊具有優(yōu)異的效率性能，在額定工況下，效率提高了1.11%，節(jié)省功率大于200 W。

圖10 全Si和全SiC電源模塊的對比Fig.10 Comparison between all-Si and all-SiC power modules

圖10（c）為全SiC電源模塊與全Si電源模塊成本分析對比結果。為便于比較，圖中縱軸設置為2種電源模塊的成本占比，100%表示兩者的總成本。可見，全SiC電源模塊功率器件成本遠高于全Si電源模塊，但其磁性元件、電容、散熱系統(tǒng)和機殼成本均低于全Si電源模塊；全SiC電源模塊的總成本僅為全Si電源模塊的70%。相比于傳統(tǒng)全Si電源模塊，全SiC電源模塊在獲得效率和功率密度優(yōu)勢的同時，也降低了系統(tǒng)成本。

5 結語

本文采用嵌入式保護策略和兩級式電磁兼容濾波器應對SiC器件抗沖擊能力差、電磁干擾大的問題，提高了全SiC大功率直流電源的可靠性；在此基礎上，對大功率直流電源的全SiC和全Si解決方案進行了實驗對比研究。相比于全Si電源模塊，全SiC電源模塊在整體成本降低30%的同時提高了功率密度，是全Si的3倍，提高了效率性能（額定運行時節(jié)約的功率大于200 W）。文中針對全SiC大功率直流電源關鍵技術的研究，為SiC半導體在大功率電能變換中的優(yōu)異性能提供了堅實的依據(jù)，此外，增強了大功率直流電源的環(huán)境耐受力和維修方便性，并在一定程度上促進了第三代半導體行業(yè)的發(fā)展。