近年來，1200V和1700V的碳化硅(SiC)MOSFET已成為當前使用IGBT的電力轉換器設計師的真正替代方案。到目前為止，大多數SiC MOSFET的設計成功主要發生在低功率到20kW范圍內的電力轉換器中，這些通常是全新設計，這一趨勢主要是由于提高光伏逆變器和其他工業電源應用的效率的需求。

設計師們現在正在使用市面上可用的高功率全SiC電力模塊和驅動器(見圖1)，以升級現有的Si-IGBT系統，以及新設計，特別針對這些新SiC產品進行優化，以實現更小、散熱更好和總體性能更優的電力轉換系統。

Si IGBT組件及其轉換為SiC

SiC在電力器件上的材料優勢已得到充分證明，無需進一步討論。因此，我們的重點將放在全SiC模塊在大型電力轉換系統中的應用上。我們選擇了一種基于62mm、400A、1.2kV模塊的商業現貨Si-IGBT組件，包括直流鏈接電容器、強制風冷散熱器和風扇，以及帶有保護邏輯和傳感器的門驅動器，進行了SiC轉換并測試以確定性能提升。

圖2描述了IGBT組件，我們將其稱為IGBT堆(轉換前)或SiC堆(轉換后)，其關鍵性能規格如圖2所示，更多細節請參見制造商的數據表[3]。所選的200A IGBT堆在3kHz的開關頻率(Fsw)下額定輸出功率為140kW(200A rms)，是該系列產品中最小的，能夠很好地代表我們在商業中央光伏逆變器或電機驅動中可能找到的通用商業模塊化電力子系統。

將IGBT堆轉換為使用SiC器件的過程非常簡單，因為現有的全SiC電力模塊具有相同的外形尺寸，并且兼容的門驅動器具備我們在典型IGBT模塊門驅動器中看到的所有功能。圖3總結了這些變化。額外添加的直流鏈接電容器僅用于在更高輸出電流下進行測試。三個1200V、400A的IGBT模塊分別被1200V、300A的全SiC模塊取代，并且6通道的門驅動器板被設計用于SiC模塊的三個2通道門驅動器板替代。對SiC堆的少數機械改動之一是將門驅動器的位置從距離功率模塊約8英寸的原始位置重新定位到直接安裝在SiC模塊上。這一修改是由SiC更高的開關速度驅動的，這要求我們盡可能減少由于布局引起的寄生電感和電容的影響。

1200V、300A的SiC MOSFET模塊內置了用于自由輪回的SiC肖特基二極管，相比于被替代的400A IGBT模塊，有五個顯著的性能優勢：

1、更低的開關損耗；

2、更低的導通損耗；

3、幾乎沒有二極管開關損耗；

4、更高的擊穿電壓裕度；

5、對宇宙輻射引起的故障或單事件燒毀(SEB)的免疫力。

大家普遍知道，SiC MOSFET的開關損耗較低，圖4a中比較了帶有快速恢復二極管(FRD)的Si-IGBT和帶有SiC肖特基二極管的同等額定SiC MOSFET在半橋電路的并聯位置的表現。

注意，如圖4b所示，SiC肖特基二極管幾乎沒有反向恢復電荷，并在25°C到150°C的溫度范圍內保持恒定，這有助于降低換流MOSFET的Eon和顯著降低二極管的開關損耗。然而，較少人知道的是，SiC MOSFET的總開關損耗(ET)，即開通和關斷損耗之和，實際上在較高結溫下保持不變或減少(在某些情況下降低10%至25%)，但Si-IGBT則相反。因此，在可用的工作溫度下，Si-IGBT的ET與SiC MOSFET的ET之間的差異比室溫下的值要大。

為了更好地理解導通損耗，我們考慮一個額定為50A的IGBT與不同電流額定的SiC MOSFET的正向特性。如圖5所示，一個等效的50A SiC MOSFET的導通損耗約為一半。此外，不必用50A SiC器件替換50A IGBT以獲得相同性能。40A的SiC MOSFET與50A的Si-IGBT在IGBT的額定電流下具有相同的導通損耗。因此，可以假設這兩種器件的導通損耗相同。

然而，重要的是要注意，IGBT的額定電流是設備在給定外殼溫度下的直流電流額定值，并不包括設備的開關損耗。如果50A的IGBT正在開關，則必須將其降額到較低的電流，以避免超過器件的最大功率損耗值(PDmax)。從圖5中線條的形狀可以看出，在50A以下的任何值，40A的SiC MOSFET在導通損耗方面具有優勢，因為MOSFET的純歐姆損耗特性。鑒于兩個器件之間開關損耗的顯著差異，SiC器件在較高開關頻率下的降額電流將顯著低于Si-IGBT的等效值。

在討論了SiC模塊的較低開關、導通和二極管開關損耗后，我們現在可以討論它們對高能粒子引起的故障或SEB的免疫性，因為SiC MOSFET預計對這種故障模式的敏感性顯著較低。有三個因素在這種故障模式中具有重要貢獻：器件材料類型、器件面積和電壓應力[4]。

由于SiC的帶隙約為Si的3倍，且表面積僅為同樣額定Si器件的33%，并且擊穿電壓裕度是最大器件電壓額定值的1.33倍，因此很容易理解，與Si-IGBT相比，SiC MOSFET如何能夠最小化這三種主要因素對SEB的影響。

性能提升

在將IGBT堆轉換為SiC堆后，我們期望功率損耗顯著降低，這樣可以在更高的開關頻率下實現相同的輸出功率和效率。這可以減少整體系統的體積和重量，或者在相同的開關頻率下產生更多的功率，從而提高功率密度和每瓦特的成本(Watts/$)，或者簡單地使系統在相同的工作條件下以更低的結溫和更高的效率運行，從而有效提高可靠性。圖6顯示了性能改進的模擬結果，后續通過測量數據進行了驗證，展示了IGBT堆的輸出電流與開關頻率之間的關系。

為了確認預期的性能提升，SiC堆作為三相逆變器進行了測試，測量結果與IGBT堆的發布數據表值進行了對比。測試是在700VDC電源上進行的，采用400m3/Hr風扇強制冷卻，在環境溫度(TAMB)為25°C下進行。輸出電壓設定為480Vac rms(相對相)50Hz，并連接到一個可以從2.8kW調節到263kW的平衡三相電阻負載箱。初步測試在Fsw=10kHz下進行，然后在保持所有其他操作參數不變的情況下，在Fsw=50kHz下重復測試。結果總結在圖7中，展示了SiC堆所取得的明顯性能優勢。

圖7

如果考慮整個IGBT堆系列，轉換后的SiC版本將在產品陣容中處于何種位置?答案取決于應用的操作開關頻率。如圖8所示，我們展示了產品的額定輸出電流與Fsw的關系。正如預期，輸出電流與Fsw之間呈現反比關系。然而，由于IGBT堆的輸出電流降額較為顯著，我們可以看到在Fsw=10kHz時，750A額定的IGBT堆(其體積是SiC堆的三倍)具有相同的輸出電流能力。此外，圖8中以藍色突出顯示的區域展示了通過Si-IGBT無法以經濟方式實現的新能力。

總結

高功率轉換器設計師始終需要在性能、體積、成本和工作開關頻率(Fsw)之間找到平衡。更高的Fsw可以導致更小、更輕的轉換器，但會在效率上付出代價。通常，對于高功率系統(>500kW)，這種平衡讓最佳Fsw約為3kHz。

全SiC電力模塊現在允許設計工程師在不顯著影響性能的情況下設計更高的Fsw，這使得高頻電力轉換系統的優勢愈加明顯，從而可能實現更小的體積和重量，更快的響應時間，以及簡化和更可靠的電力轉換系統。