一文讀懂碳化硅設計中的熱管理
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隨著我們尋求更強大、更小型的電源解決方案，碳化硅 (SiC) 等寬禁帶 (WBG) 材料變得越來越流行，特別是在一些具有挑戰性的應用領域，如汽車驅動系統、直流快速充電、儲能電站、不間斷電源和太陽能發電。 這些應用有一點非常相似，它們都需要逆變器（圖 1）。它們還需要緊湊且高能效的輕量級解決方案。就汽車而言，輕量化是為了增加續航里程，而在太陽能應用中，這是為了限制太陽能設備在屋頂上的重量。 |
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圖 1.典型的 EV 動力總成，其中顯示了逆變器 半導體損耗 決定逆變器效率的主要因素之一是所使用的半導體器件（IGBT / MOSFET）。這些器件表現出兩種主要類型的損耗：導通損耗和開關損耗。導通損耗與開通狀態下的導通電阻 (RDS(ON)) 成 正比，計算方法為漏極電流 (ID) 與漏源電壓 (VDS) 的乘積。 將 SiC MOSFET 的 VDS 特性與類似 Si IGBT 的特性進行比較，可以觀察到，對于給定電 流，SiC 器件的 VDS 通常較低。還值得注意的是，與 IGBT 不同，SiC MOSFET 中的 VDS 與 ID成正比，這意味著它在低電流下的導通損耗會顯著降低。這在高功率應用（例如汽車和太陽能）中非常重要，因為它意味著在這些應用中，逆變器在其工作生命周期的大部分時間處于小功率工 況，效率會有顯著提高，損耗更低。 |
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圖 2.Si IGBT 和 SiC MOSFET 的 VDS 比較 驅動損耗與開關器件所需的柵極電荷 (Qg) 成正比。這是每個開關周期都需要的，使其與開關頻率成正比，并且 Si MOSFET 比 SiC 器件更大。設計人員熱衷于提高開關頻率以減小磁性元件的尺寸、重量和成本，這意味著使用 SiC 器件會帶來顯著優勢。買元器件現貨上唯樣商城！ 熱管理影響 電源系統中的所有損耗都會變成熱量，這會影響元件密度，從而增加終端應用的尺寸。發熱組件不僅會升高其自身的內部溫度，還會升高整個應用的環境溫度。為確保溫升不會限制運行甚至導致組件故障，需要在設計中進行熱管理。 SiC MOSFET 能夠在比硅器件更高的頻率和溫度下運行。由于它們可以承受更高的工作溫度，因此減少了對熱管理的需求，可以允許器件本身產生更大的熱量。這意味著，將基于硅的設計與等效的基于 SiC 的設計進行比較時，熱管理要求要低得多，因為 SiC 系統產生的損耗更低，并且可以在更高的溫度下運行。 通過比較，一個典型的 SiC 二極管在 80kHz 下工作時，損耗比同等硅二極管低 73%。因此， 在太陽能應用和電動汽車的大功率逆變器中，SiC 器件的效率優勢將對降低電力系統的熱管理需 求產生非常顯著的影響，可能降低 80% 或更多。 基于SiC的電源系統的總成本 盡管 SiC 器件投入實際使用已經有一段時間了，但人們認為基于 SiC 的設計最終成本將高于硅基設計，因而在某些方面減緩了 SiC 器件的采用速度。然而，若是直接比較硅基器件和SiC 器件的相對成本，而不考慮每種技術對整體系統成本的影響，可能會使設計人員得出錯誤的結論。 如果我們考慮 30 kW 左右的硅基電源解決方案，用于開關的半導體器件加起來約占物料清單成本的10%。主要的無源元件（電感器和電容器）占剩余成本的大部分，分別為 60% 和 30%。 雖然 SiC 器件的單位成本確實高于等效的硅基器件，但 SiC 器件的性能降低了對電感器和電容器的要求，顯著降低了系統的尺寸、重量和成本。僅此一項就可以將 SiC 的物料清單的總成本低于同等硅基解決方案。然而，正如我們所見，基于 SiC 的解決方案中的熱管理成本也明顯更低。因此，加上這種成本節約意味著 SiC 設計更高效、更小、更輕，而且一定程度上成本更低。 安森美 (onsemi) 最新的 1200 V 和 900 V N 溝道 EliteSiC MOSFET具有低反向恢復電荷的體二極管，可以顯著降低損耗，即使在更高的頻率下操作也是如此。芯片尺寸小有助于高頻操作，減少柵極電荷，減小米勒 (Crss) 和輸出 (Coss) 寄生電容，從而減少開關損耗。 這些新器件的 ID 額定電流高達 118 A，可提高整體系統效率并改善EMI，同時允許設計人員使用更少（和更小）的無源元件。如果需要處理更高電流，這些器件可以配置為并聯工作，因為它們具有正溫度系數而不受溫度影響。 主要有兩種熱管理方法：主動或被動。被動方法使用散熱片或其他類似器件（例如熱管）將多余的熱量從發熱器件轉移到外殼，進而消散到周圍環境中。散熱片的散熱能力隨著尺寸的增加而增加，散熱能力與可用的表面積成正比，為了在最小的體積中實現最大的表面積，這通常會引入復雜的設計。 主動散熱通常涉及某種形式的降溫裝置，例如電動汽車應用中的風扇或冷卻液。由于它們會產生強制氣流，因此它們可以在受限空間內提供更多散熱。然而，也有一些明顯的缺點，包括風扇可靠性和需要在逆變器外殼上開孔以允許氣流流通（這也可能導致灰塵或液體進入）。此外，風扇需要額外的電能才能運行，這會影響整體系統的效率。 總結 電源設計人員面臨著提供更高效、更可靠和體積更小的解決方案的挑戰，他們正在尋求 SiC 等新技術來幫助他們應對這些挑戰并降低總成本。 基于 SiC 的開關器件使設計人員能夠讓系統在更高的溫度和頻率下以更低的損耗運行，這是應對這些挑戰的關鍵。此外，這些電氣性能優勢意味著無源器件的熱管理要求和元件值的顯著降低，從而進一步降低成本和尺寸/重量。因此，SiC 方案能夠以更小的尺寸和更低的成本實現更高的性能水平。 |
審核編輯 黃宇
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