Boost變換器中SiC與IGBT模塊熱損耗對比研究

文章來源：伍 豐1 ,2 ，張靈芝1 ,2 ，蔣逢靈1 ,2 (1.湖南鐵路科技職業技術學院；2.湖南省高鐵運行安全保障工程技術研究中心)

摘 要：針對Boost變換器中SiC(碳化硅)與IGBT模塊熱損耗問題，給出了Boost電路中功率模塊熱損耗的估算方法，并提供了具體的估算公式。以30kW DC/DC變換器為研究對象，對功率模塊在不同工作頻率下的損耗進行了理論計算、PLECS仿真和試驗驗證對比分析。PLECS仿真和試驗驗證的結果不僅證明了估算公式的正確性，還直觀的體現了SiC和IGBT兩類模塊在不同開關頻率下工作的熱損耗趨勢。從文中可以看出，使用SiC替 代IGBT可以顯著地提高變換器的工作頻率和功率密度。

0 引言

功率模塊相對于小功率的分立器件,具有更大的體積和功率,因此常用于大功率電能變換器領域,在大功率DC/DC變換器行業,雖然Si IGBT模塊仍然占據了統治地位,但隨著碳化硅(SiC)模塊技術和工藝的逐步成熟,SiC模塊將會逐步替換原來的Si IGBT;原因在于 SiC模塊具有寬禁帶、耐高溫、耐高壓和低損耗的優點, 根據行業統計數據,SiC模塊的關斷損耗比Si IGBT減小88%,開通損害降低34%,單位面積的導通阻抗更小(硅IGBT的1/3~1/5),且具有更快開關速度(硅 IGBT的5~20倍),同時還具備高溫工作能力(SiC器件 的電路可在500 ℃下穩定工作),SIC模塊與其他主要類型功率器件參數對比表如表1所示。

從表1中的數據可以看出,SiC禁帶寬度、擊穿場強、熱導率等性能都遠強于Si IGBT。目前國際上大功率SiC模塊生產廠家主要有科銳、羅姆、英飛凌、三菱 電機株式會社、意法半導體等,市場占有率最大的科銳 公司其量產模組中單管已經達到了1200 V/765 A。我 國也涌現出一批有實力的廠商,從芯片的設計、研發到制造和封裝測試,正在形成一個完整的產業鏈,代表性的國產SiC功率器件生產廠家有：忱芯科技、中國中車、愛仕特、基本半導體有限公司等,其中忱芯科技最大功率SiC模組已經達到了1700 V/700 A,可以看出,目 前SiC單個模塊的功率等級已經接近或者達到了IGBT 模塊的功率等級,在大功率電能變換領域,SiC模塊替 代IGBT模塊成為了可能,因此對SiC與IGBT模塊開展熱損耗的對比研究很有現實意義。

針對SiC模塊的應用研究,目前主要集中在動態性能、功率損耗計算和不同器件的對比分析,關于功率損耗計算方法的研究,文獻給出了SiC的開關損耗模型和計算公式,但損耗的具體計算需要依賴器件的3D數據表,該數據表的獲取存在難度；在SiC模塊的性能參數對比研究方面,文獻通過仿真的方式對 SiC與Si MOS進行了熱損耗對比研究,但缺乏試驗驗證。本文在以上研究的基礎上,對SiC和IGBT器件在 Boost變換器電路應用中的熱損耗進行對比研究,力求提供具有實用價值的SiC和IGBT模塊熱損耗計算公式, 再將這兩類模塊的熱損耗差異進行對比,直觀的體現出 這兩類模塊的熱損耗差異,最后進行仿真和試驗驗證。

1 Boost變換器與熱損耗估算

1.1 熱損耗估算結果對比分析

功率器件的熱損耗主要分為導通損耗、開通損耗、 關斷損耗和分布電容引起的附加損耗,其中主要損耗為 導通損耗、開通損耗、關斷損耗和反向恢復損耗,以下 對這4種損耗的計算方法進行研究。

1.2.1 導通損耗估算方法

由于SiC和IGBT導通過程中存在壓降,因此兩種 器件均存在導通損耗,穩態時導通損耗可用式（1）計算。

式中Econd代表導通過程中產生的熱量；UccoT(vj)代 表結溫為Tvj時功率器件的開啟電壓；rT(vj)代表結溫為 Tvj時功率器件的等效電阻；IC為功率器件中的電流。Boost電路中,VT器件管和輸出二極管VD均存在導通損耗。

根據Boost電路的工作規律,VT管在D?T的時間 內導通,其中D為占空比,T為周期,VT管導通損耗功 率Econd.vt為：

1.2.2 開通損耗估算方法

開通損耗ton是指功率器件從關閉狀態到導通的過渡過程中的電流上升到正常值的10%開始,到功率器件兩端的電壓下降到標稱值的2%是結束,將這段持續的時間成為ton,在ton的持續時間內所消耗的能量為開通損耗功率Pon 。

開通損耗平均功率Pon由下面的公式定義：

由式（4）可知,Eon的大小與開關管中的電流和電壓有 關,除此之外,還與功率器件的節溫有關,在實際應用中,由于難以獲得功率器件精確的數學模型,因此常用試驗和估算的方法,根據器件手冊提供的數據和曲線, 利用插值的方法,可以用式（5）估算。

（5）式中fsw為功率器件的開關頻率,Eon(Inorm,Unorm,TVJ )為手冊中在節溫為TVJ時,在特定電流Inorm和電壓Unorm下工作時給出的開通損耗,Iin和Uo為Boost電路的輸入電流和輸出電壓,在Boost電路中,每個周期內VT存 在一次開通損耗。

1.2.3 關斷損耗估算方法

關斷損耗Poff是指功率器件從導通狀態到關斷的過渡過程中,功率器件兩端電壓上升到正常值的10%開始,到功率器件中的電流下降到標稱值的2%時結束, 將這段時間成為toff,在toff的持續時間內所消耗的能量 可以用式（6）來計算。

與開通損耗相類似,Eoff的大小與開關管中的電流、電壓有關和節溫有關,在實際應用中,同樣難以獲得功率器件精確的數學模型,因此常用采用試驗和估算的方法,根據器件手冊提供的數據和曲線,利用差值的方法, 可式（7）估算：

式中Eoff(Inorm,Unorm,TVJ )為手冊中在節溫為TVJ時,在特定電流Inorm和電壓U norm下工作時給出的通損耗,Iin和Uo為Boost電路的輸入電流和輸出電壓,在Boost電路 中,每個周期內VT存在一次關斷損耗。

1.2.4 SIC和IGBT器件的總損耗估算結果對比

如果不計分布電容、分布電感引起的附加損耗,則功率器件的總損耗功率為導通損耗Pcond、開通損耗Pon和關斷損耗Poff三者之和。

Pall=Pcond=+Pon+Poff （8）

通過器件手冊可知,IGBT模塊中二極管的開關損 耗主要為反向恢復損耗Prec,而SiC模塊中的二極管損耗非常小,可以忽略不計。

為了便于計算和對方分析,以氫燃料汽車車中廣泛使用30 kW DCDC變換器為研究對象,其主要參數如 表2所示。

根據表2中的參數,功率器件使用IGBT作為功率模塊時,選用英飛凌公司的FF200R12KE4器件,使用 SiC作為功率模塊時,選用英飛凌的FF6MR12KM1功率器件,二者耐壓等級均為1200V,FF200R12KE4最大連續直流電流為IC=200A,FF6MR12KM1最大連 續直流電流為Id=250 A；二者的最大節溫均為175 ℃, 假定模塊工作時實際節溫為TVJ =125 ℃,使用功率模塊的體二極管作為輸出二極管,通過手冊查出兩種器件在節溫125 ℃的參數如表3所示。

通過Boost電路占空比計算公式可得額定點的占空比D≈0.5；為了直觀的體現這兩種器件熱損耗的差異,編寫Matlab腳本程序,計算DCDC變換器在fsw=5kHz ~fsw=50 kHz工作范圍內,將上表中得數據帶入相應的計算公式,得到如下圖所示的對比曲線。

2 仿真結果對比分析

以表2中DCDC工作參數為輸入,建立以SiC(FF6MR12KM1)和IGBT(FF200R12KE4)模塊為功率器件的兩種仿真模型,通過PLECS軟件對不同開關頻率下功率器件的損耗和結溫進行對比仿真, 從圖4熱損耗功率仿真對比圖可以看出,頻率在5 kHz及以下時,由于功率模塊的損耗主要為導通損耗,因此SiC模塊和IGBT模塊的熱損耗比較接近,但是工作開關隨著頻率的增加,IGBT模塊的熱損耗快速加大,SiC模塊的熱損耗緩慢增加,與此相對應,從圖4的結溫對比圖可以看出, 隨著頻率的增加,IGBT模塊的結溫迅速增加,SiC模塊的結溫增長緩慢,說明這兩類器件中,SiC器件替代IGBT模塊,更有助于提供工作頻率。

從圖4的仿真值與理論計算值的對比圖可以看出, 仿真值與計算值的計算結果比較接近,二者之間的差異在20%的范圍以內,證明的了理論計算公式的正確性和準確性。

3 試驗驗證

3.1 試驗平臺

為了驗證了前文熱損耗估算和仿真結果的正確性, 分別使用SiC(FF6MR12KM1)和IGBT(FF200R12KE4) 兩種模塊在30 kW的試驗平臺上進行試驗,試驗平臺有Boost升壓變換器、直流可以電源、電阻負載四部分 組成。30 kW試驗電源參數如表2所示。

3.2 試驗結果分析

通道4為功率模塊兩端的電壓,通道2為BOOST 變換器的輸入電流。

圖6 工作波形圖

通過測量功率模塊的輸入功率和輸出功率計算模塊在不同工作頻率下的熱損耗,當使用IGBT模塊工作時, 分別測量工作頻率為5、10和15 kHz時的熱損耗,當使用SiC模塊時,分別測量5、10、15、20和50 kHz 工作頻率時的熱損耗；將所測得的實際值連接成直線, 實際值、計算值和仿真值對比如圖7所示。

從圖7可以看出,試驗結果與仿真、理論估算的結果相吻合,工作頻率較低時,試驗值比估算值偏小,工作頻率較高時,試驗值比仿真偏大,造成這種現象的主要原因在于工作頻率較低時,熱損耗小,功率模塊的節溫低,隨著頻率的增加,熱損耗逐漸增加,功率器件的 節溫也不斷升高,相同條件下,節溫越高,損耗就越大, 而估算公式的計算沒有考慮節溫的變化。

4 結束語

本文首先介紹了SIC模塊和IGBT兩 種模塊基本知識,在對Boost電路工作原理進行分析的基礎上,進一步研究了 Boost電路中功率模塊熱損耗的計算方法, 并給出了具體的計算公式；以30 kW DC/ DC變換器為參數輸入,對使用SIC和 IGBT兩種模塊作為功率器件,在不同工作頻率下損耗進行理論計算、PLESE仿真和試驗驗證對比,理論計算、仿真和試驗結果之間的差值在20%以內,證明了理論計算公式的正確性,通過兩種模塊在不同頻率下的熱損耗對比可以看出,SiC器件在高頻下熱損耗明顯顯著低于IGBT器件,從而可以大大提高DCDC變換器的功率效率和降低DCDC變換器的體積。

審核編輯：湯梓紅