碳化硅模塊在太陽能逆變器中的應用

太陽能發(fā)電作為未來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年太陽能發(fā)電占總發(fā)電量的3.4%，即1,410億千瓦時，相比2015年的0.6%呈現顯著增長^[1]。盡管太陽能的應用規(guī)模還無法獨占鰲頭一風能及其它可再生能源和核能仍將在能源領域占有一席之地;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(guī)模各異，從僅為家庭微電網提供數百瓦電力的小型電源， 大到可產出數干兆瓦功率的公用事業(yè)級裝置。幾乎所有情況下，太陽能板產生的直流電都需要轉換成標準交流線路電壓，以便與現有負載兼容或并網。通常，面板直流電通過最大功率點跟蹤(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(xù)性，而逆變器(通常為雙向)則生成線路交流電(如圖1所示)。

圖1 太陽能發(fā)電系統(tǒng)安裝示意圖

由于太陽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。盡管使用多個小型逆變器可能會增加硬件總成本，但它們具有可擴展性和容錯性的優(yōu)勢，且無需重型吊裝設備即可部署。目前，市場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關傳統(tǒng)上采用IGBT，多千瓦級應用則使用硅基寬帶隙的碳化硅(SiC)開關成為考慮對象。這些開關通?？蛇_1,700 V的額定電壓，具有低導通電阻，可實通?？蛇_1,700 V的額定電壓，具有低導通電阻，可實現最小的傳導損耗，并能在高頻下切換，動態(tài)損耗低。這使得磁體可以更小，進而縮減整個系統(tǒng)的尺寸、成本和重量。

作為一種寬帶隙技術，SiC不僅提供高電壓阻斷能力，還極大降低了來自地面中子或宇宙射線導致故障的風險，這對于太陽能系統(tǒng)的可靠性至關重要。

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近乎線性的增加情況不同，其功率耗散隨電流的“平方”增長，且溫度升高會還帶來另一個乘數效應。但是，考慮到包括開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在多個方面優(yōu)于SiC結構進一步降低導通電阻R_DS(ON)， 并應用先進的銀燒結結構進一步降低導通電阻R_DS(ON)， 并應用先進的銀燒結裸片粘貼技術改善熱性能，將開關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) ，傳導和開關損耗等品質因數(FOM)表現出色，與同類電壓等級的競品技術相比更勝一籌。同時，SiC FET通常為常閉狀態(tài)，具有簡單的非關鍵柵極驅動，典型驅動電壓為0-12 V,閾值電壓穩(wěn)定在約5 V。相比壓才能實現完全增強;這一電壓值非常接近其絕對最大壓才能實現完全增強；這一電壓值非常接近其絕對最大如帶有電感負載的開關死區(qū)期間，SiC MOSFET內的體如帶有電感負載的開關死區(qū)期間，SiC MOSFET內的體二極管會導通，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、輸出電容和開關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合。在APEC 2024上，Qorvo近日宣布推出了一系列采用行業(yè)標準的E1B模塊形式產品，旨在滿足太陽能升壓DC/DC轉換器、DC/AC 逆變器，以及電動汽車( EV )充電器和通用工業(yè)AC/DC等市場的需求(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SiC FET和一個溫度傳感器，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(xù)電流分別為69A和100A。全橋模塊包含四個SiC FET和一個溫度傳感器，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，不受多個分立器件互連限制和變化的影響。這種集成極大地簡化了熱機械設計和組裝過程，同時有助于降低系統(tǒng)開發(fā)風險并縮短開發(fā)周期。圖4展示了E1B模塊在太陽能升壓轉換器和逆變器中的潛在應用。

圖4 太陽能轉換應用中的SiC FET E1B模塊

4   性能指標

在寬帶隙器件和傳統(tǒng)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)和相關開關能量R_DS(ON)方面展現了最佳的品質因數(FOM)。重要的是，這些品質因數在125° C和25° C條件下也仍優(yōu)于競品器件。這意味著在任何軟開關或硬開關應用中，SiC FET都結合了低傳導損耗和低開關損耗的優(yōu)勢；且在實際工作溫度范圍內，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實現了先進的熱管理，熱導率高達130-250W/mK，遠超傳統(tǒng)焊接技術的23—53W/mK。因此，1,200V 100A半橋EIB模塊(UHB10OSC12E1BC3N)的結點到外殼熱阻僅為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。改進的熱管理和兩倍功率循環(huán)能力共同促進產品獲得更長使用壽命。

5   利用SiC FET優(yōu)化效率

功率轉換拓撲結構能夠以軟開關模式操作以最小化動態(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(xù)(電感)導通模式(CCM)，并將電流壓力水平控制在可管理范圍內。由于采用硬開關，因此必須仔細控制轉換過程，以最小化電壓和電流重疊造成的動態(tài)損耗；這通常借助柵極二極管，通過選擇最優(yōu)的柵極串聯(lián)電阻以不同的開啟和關斷值來實現。然而對于siC FET而言，SiC JFET的柵極無法訪問；且串聯(lián)電阻在裸片內部設定，因而不可調節(jié)。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模塊在硬開通轉換過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，采用E1B模塊的硬開關轉換器在關斷轉換時的總能量損耗降低了53%，優(yōu)勢更為顯著。

圖5 采用SiC FET E1B模塊和小型緩沖器所帶來的效率提升

對于具有軟開通轉換(零電壓開通/ZVS )的轉換器，開通損耗幾乎為零。在這種情況下，緩沖電容的能量在ZVS過程中被回收,對硬開關開通事件中觀察到的開通損耗沒有額外損失。右側圖表顯示了軟開關ZVS轉換時關斷過程中的能量耗散，表明帶有緩沖器的Qorvo部件也具有顯著優(yōu)勢;其能量耗散比競品部件低74%。

因此，動態(tài)損耗可控制在同類產品中的最低水平；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，對于高效太陽能轉換器1逆變器設計來說，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FET-Jet計算器^TM[3]均支持E1B SiC FET模塊，能夠迅速進行部件的評估和比較，并適用于多種拓撲結構。

6   結束語

SiC FET在寬帶隙開關的性能方面處于領先地位，如今這些優(yōu)勢已在E1B模塊形式中得以實現，從而拓展了其在太陽能發(fā)電裝置等更高功率應用中的應用范圍。低傳導和開關損耗的組合使其在同類競爭技術中實現了最高的整體效率，從而節(jié)省了能源及冷卻成本；同時，先進的裸片粘貼結構和材料技術改進了熱設計，保持了較低的內部溫升，從而確保了產品的可靠性與使用壽命。

（本文來源于《EEPW》202407）