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融合SiC和Si的優點:混合功率模塊和混合分立器件

Hobby觀察 ? 來源:電子發燒友網 ? 作者:梁浩斌 ? 2024-02-04 00:01 ? 次閱讀

電子發燒友網報道(文/梁浩斌)在大功率、大電流的應用,比如電動汽車目前動輒300kW以上的電機功率中,由于對損耗和散熱方面的要求較高,所以一般會在逆變器部分使用功率模塊

功率模塊是由多個功率單管,比如IGBTMOSFET等,以及二極管元器件封裝在一起。比如IGBT模塊主要是由硅基IGBT和硅基二極管組成,碳化硅模塊主要是由SiCMOSFET和SiCSBD組成。

不過,碳化硅成本居高不下,去年特斯拉表示在下一代平臺上減少75%的碳化硅用量,但沒有說明要如何實現這個目標,以及具體的方案。在業界的猜想中,就包含混合模塊的方案。

混合功率模塊的幾種形式

前面提到目前主流的功率模塊包括IGBT模塊和SiC模塊,分別是使用硅基和SiC基功率器件作為核心。但混合功率模塊,顧名思義就是將硅基和SiC基的功率器件混合封裝到一個模塊中。

目前較為普遍的混合碳化硅功率模塊的形式是,采用IGBT和SiCSBD結合。由于硅二極管是雙極器件,存在反向恢復損耗大的特點,而SiCSBD幾乎沒有開關損耗,能夠使IGBT的開關損耗顯著降低。與相同封裝的標準硅IGBT模塊相比,IGBT+SiCSDB的功率模塊能夠提高功率密度、效率、工作頻率等。

另一種是采用SiCMOSFET和硅IGBT混合封裝,目前業界的方案大概是使用2顆SiCMOSFET配套6顆硅IGBT封裝成模塊,當然這個比例還可以靈活調配。這種方式的好處是,可以同時利用SiC和IGBT的優勢,通過系統控制,令SiC運行在開關模式中,IGBT運行在導通模式。SiC器件在開關模式中損耗低,而IGBT在導通模式中損耗較低,所以這種模式有可能實現在效率不變的情況下,降低SiCMOSFET的使用量,從而降低功率模塊的整體成本。

不過也有業內人士表示,SiCMOSFET和IGBT混合模塊也存在一些應用上的挑戰,包括用于汽車的封裝工藝穩定性、IGBT和SiCMOSFET并聯電路設計、驅動控制等問題。因此,目前市面上的混合功率模塊產品基本上是IGBT和SiCSBD。

分立器件也能混合碳化硅和硅

除了在功率模塊中混合SiC和硅的器件之外,其實分立器件也可以將兩種材料的器件封裝在單管中。

一般來說,硅IGBT單管其實是將IGBT和FRD(快恢復二極管)封裝成單個器件,而混合碳化硅分立器件將其中的硅FRD換成SiCSBD。由于SiCSBD沒有雙極型硅基高壓FRD的反向恢復行為,混合碳化硅分立器件的開關損耗獲得了極大的降低。根據基本半導體的測試數據顯示,這款混合碳化硅分立器件的開通損耗比硅基IGBT的開通損耗降低約32.9%,總開關損耗比硅基IGBT的開關損耗降低約22.4%。

而SiCSBD在近幾年的價格得到了明顯下降,混合碳化硅分立器件整體的成本相比硅IGBT和硅FRD實際相差不會太大。因此這種器件可以用在一些強調性價比的電源領域,比如車載電源、車載空調壓縮機等。

小結:

在過去幾年碳化硅器件供應不足的情況下,誕生了不少碳化硅基和硅基器件的混合方案,當然目前來看碳化硅的成本依然“相對較高”,下游終端希望碳化硅器件供應商能繼續降價,同時也壓縮了上游的利潤。但隨著去年開始海內外大量碳化硅上下游產能釋放,碳化硅的成本在未來兩年可能會繼續下降,屆時混合模塊或是混合器件的方案能否獲得市場青睞仍有待觀察。

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