碳化硅功率模块最大化主动前端效率

作为设计UPS的工程师，他们非常注重确保企业数据中心能够全天候不间断运行，同时也意识到电源每年会消耗90太瓦时（TWh）的美国电力——足以维持30个大型且污染严重的燃煤发电厂。而在另一个设计领域，电力工程师正在努力确保快速充电器能够迅速为电动汽车（EVs）充电，同时也关注电力成本和其产生对环境的影响。

针对任何应用领域的工程师都共同关注效率、功率密度和成本问题。即使他们尚未使用硅碳化物 (SiC) 技术进行设计，也已经意识到解决方案可能就在硅碳化物 (SiC) 技术之中。 在来自Wolfspeed专家撰写的这篇论文中，这些关注点通过对比得到解决，证明硅碳化物 (SiC) 在高功率应用中远远优于基于硅 (Si) 的器件。演示使用UPS和充电器系统的一个关键部分——有源前端 (AFE)，以探讨在尺寸和功率密度、功率损失和效率以及物料清单 (BOM) 成本方面的改善。 因此，本文旨在将对SiC优势的普遍认识转化为更清晰的理解，开辟一条从传统低效技术向更丰富硅碳化物 (SiC) 设计经验发展的道路。

广泛的挑战

AFE设计中的挑战可以大致表达为工程师希望的更改清单：

任何能够同时解决所有这些挑战的技术，确实可以对产品竞争力以及环境产生重大影响。

为什么选择碳化硅？

碳化硅因材料及其所产生的器件特性，使工程师能够满足上述清单中的要求。   与传统的硅技术相比，碳化硅器件的通态电压降低2-3倍，从而降低了碳化硅开关中的导通损耗。由于碳化硅器件是多数载流子器件，它们比硅器件具有更高的边沿速率（di/dt）。碳化硅器件的击穿场强度比硅高10倍，使得碳化硅器件能够在同一封装中承受更高的电压。   碳化硅器件的热导率为3.3-4.5 W/cmK，而硅的仅为1.5 W/cmK，这使得碳化硅器件能够更快地散热，有助于降低系统的冷却需求。此外，碳化硅芯片温度可达到250-300°C（相比于硅的125°C），而Wolfspeed器件的结温则可高达175°C而不会影响可靠性。这意味着这些器件可以在更高温度下工作，并可使用更小型的冷却设备。   Wolfspeed的碳化硅功率模块相比硅版本具有以下优点：

AFE拓扑的应用优势

AFE 几乎适用于所有并网转换器。在当今新兴市场中，两种主要拓扑结构如 图 1所示。双转换 UPS 架构包括一个 AFE 或整流器、一个 DC/DC 转换器和一个逆变器。在正常电力传输过程中，一小部分电流流入 DC/DC 转换器以维持电池充电。大部分电力通过直流链路进入逆变器，从而为负载供电。 在电力故障情况下，AFE 停止开关操作，DC/DC 转换器将电池中的电能发送到逆变器以为负载供电。一些应用可能也会使用电池来补偿负载或电网侧较差的电能质量。

在车外直流快充设备中，AFE将转换器连接到电网。它将电网电压整流为稳定的直流链接电压，随后可用于为电池充电。车外充电器的拓扑结构更简单，AFE直接与直流-直流转换器连接，从而快速为电动汽车充电。 在这两种应用中，AFE使用三个半桥功率模块——每个相位对应一个模块。

定义问题和设计目标

基于IGBT的AFE一个关键问题是体积大且效率低。它们具有较高的开关损耗，并且因为它们也是重要的热源，工程师可以选择使用笨重的冷却系统或者降低性能以减少产生的热量。然而，虽然需求略有不同，但所有客户都希望为高效系统而买单，而不是为一个“加热器”付费。   因此，AFE设计目标可以定义为：

考虑到这一点，我们设计了IGBT和SiC变体的AFE系统，以输出200 kW的高质量整流功率，并提供稳定的直流母线。

基于IGBT与SiC的设计

在广泛介绍了基于IGBT和SiC的系统后，进一步深入探讨，通过对比组件尺寸和损耗进行详细分析。   基于硅的高功率设计，例如AFE例子，通常使用IGBT。图2所示为电路图，展示了功率模块及其物理冷却需求。为了选择最优品质的组件，从当前主流的IGBT模块中选取了一款采用EconoDUAL®封装的模块。该拓扑结构需要三个这样的功率模块——图中的每个红框包含一个功率模块、一个散热器，以及两个风扇。

该系统可以优化到以高达8 kHz的频率切换，同时需要一个100 µH的电感器。在40°C的环境温度下，IGBT结温 (Tj) 达到130°C，而独立的二极管芯片结温达到140°C。即使将开关频率限制在8 kHz，每个模块仍需要大型散热器以及两个风扇。

基于SiC的系统使用了Wolfspeed XM3功率模块，即XAB400M12XM3。该系统可以以更高的25 kHz频率进行切换，并采用30 µH电感。在相同的40 °C环境温度下，MOSFET结温达到164 °C。同样，如 图3 中所示的每个红框包括模块及其大幅降低的冷却需求。

功率模块比较

Wolfspeed 的 XM3 功率模块平台的体积比同等额定的 62-mm 模块减少了 60%，面积减少了 55%。与同等额定的 EconoDUAL® IGBT 模块相比，其尺寸、体积以及重量的降低更为显著。

XM3平台的关键功能包括：

在正在考虑的AFE中，表1比较了IGBT功率模块的损耗与CAB400M12XM3的损耗。

表 1： 损耗比较显示，SiC 每模块损耗比 IGBT 减少 40%。

如表 1所示，使用Wolfspeed SiC技术有助于克服第一个广泛的设计挑战，通过减少总的开关损耗和导通损耗，从而使其他广泛的挑战能够得以应对。需要注意的是，Wolfspeed SiC MOSFET固有的体二极管的反向恢复电荷（Qrr）仅为硅（Si）的1%以下。为了在一定程度上缓解这一问题，IGBT模块通常包括一个独立的二极管，这个二极管会另行额外增加损耗。

更小、更轻的冷却系统

得益于Wolfspeed的SiC技术所允许的高MOSFET结温以及XM3的低损耗，对冷却需求产生了直接影响。   每个EconoDUAL®模块的损耗为1.11 kW，为了实现有效的冷却，必须将每个模块安装在大型散热器上，并配备一个推风扇和一个拉风扇，以提供足够的气流。冷却系统的体积为6.4升/模块。   由于损耗降低了40%，XM3只需要一个较小的散热器和一个风扇即可实现相同的效果（@40°C）。冷却系统的体积仅为3.7升。   这一42%的冷却系统体积减少同时还带来了另一个优势——AFE系统热解决方案成本降低了70%。

对被动元件的影响

通过将开关频率从8 kHz提升到25 kHz，提高了三倍，基于SiC的AFE需要更小的无源器件（图6）。

如前所述，所需的电感也可以减少三倍，从IGBT设计的100 µH减少到30 µH。由此带来的物理尺寸减少约为37%。此外，电感器中的I²R损耗也减少了接近20%。   对于AFE示例所需的功率水平，包括磁芯和铜绕组在内的磁性元件成本，在XM3设计中相比基于IGBT的AFE降低了75%。   由于开关频率的提高，对所需直流链路电容的影响类似。IGBT版本需要1800 µF，而基于SiC MOSFET的设计仅需550 µF电容。如图6所示的并排比较显示，所需电容的体积减少了54%。

AFE系统级比较

在系统层面，由SiC实现的3倍开关频率提升转化为3倍控制带宽的改进，从而意味着对动态条件的响应时间更快。对无源元件的需求减轻，包括冷却系统在内，使得这些组件相关的物料清单（BOM）成本减少了37%。   基于SiC的AFE（有源前端）系统的损耗也比基于IGBT的系统降低了40%。对于一个每天24小时、每周7天连续运行的系统，这可以每年节省26 MWh的能源。除了环保效益之外，按每千瓦时电价$0.10计算，SiC还能每年降低运营成本$2,591。   除了性能、无源元件的BOM成本和运营成本之外，基于SiC的系统在尺寸和重量上也显著减小。与IGBT版本相比，它的系统体积减少了42%（图7）。

结论

对比最佳性能的IGBT EconoDUAL®和Wolfspeed CAB400M12XM3 SiC-MOSFET功率模块在类似规格的AFE系统中的表现可以看出，SiC技术实现了上述设计师的愿望清单。Wolfspeed的XM3平台显著提高了系统的整体效率，增强了系统响应速度和性能，减少了系统整体体积，从而实现了更高的功率密度，并通过降低整体无源BOM成本提升了竞争力。