碳化硅应用十年沉浮录

文章来源：与非网eefocus（ID：ee-focus）
原文作者：文立

每个工程师都想要一个完美的开关，以便能在开和关两种状态之间瞬间切换，且在两种状态下都实现尽可能低的损耗。要实现这样的开关特性，需要有无限的击穿电压，关闭时不允许有任何电流流动，开通时无需维持上面的电压差，且开和关就在转瞬之间。
这样的开关根本没有！真正的开关击穿电压有限，关闭时有泄漏电流，开通时有电压差，切换需要一定的时间，且总会消耗一些能量。
现在不是有了碳化硅（SiC）等第三代半导体器件吗？但是，虽然SiC器件的特性比硅好了很多，但是应用中仍有许多新的问题要解决。

应用SiC 10年的体会

用SiC MOSFET代替硅器件，可以通过调整驱动级，提供更高的门通电压，处理有时可能为负的栅极关电压，这样就可以将开关频率增加三到五倍，实现更高的开关速度，同时使用较小的磁性元件和散热器来节省空间。
不过，正如清华大学电机工程与应用电子技术系教授、博士生导师、清华大学电子实验中心主任、IEEE Fellow赵争鸣所说：“10年应用SiC的体会是，做得好不如用的好。开关速度这么快，就会产生突变，引起很多问题，所以使用SiC时会遇到很大的挑战。”他认为，只有供应链各环节一起努力，才能真正把SiC等宽禁带器件用好。
实际应用表明，使用SiC可以大幅降低开通损耗、关断损耗、反向恢复损耗，总体损耗可减小七倍，大幅度提高开关频率。实际上，原来的开关，如硅基MOSFET和IGBT，开关频率也可以提升，但是频率越高损耗也越高，效率下降就意义不大了。
他认为，电力电力转换设备的首要指标就是效率，效率低就没有什么价值。提高采样频率波形会变得更好，SiC的工作频率比硅基器件提高差不多4到5倍，总损耗小了，所以可以提高效率。这正是目前使用SiC的主要驱动力。

应用到底能有多大获益？

高压化是SiC的重要特性之一，原来为了实现高压应用，只能将单个硅器件串联或使用级联方式拼凑起来承受高电压；由于SiC耐压很高，可以直接使用，为各种应用带来了极大的便利。
从高压SiC芯片技术的发展看，目前市场上提供的3.3kV高压SiC器件有两种组合：

用SiC MOSFET，其反馈二极管用的是SiC MOSFET体二极管

用一个单独的MOSFET加上一个反并联二极管。

两种方案各有好处，随着时间的推移，SiC MOSFET体二极管会出现正向压降变化。三菱电机在售的3.3kV高压SiC器件外边有一个单独并联的反馈二极管，可以避免二极管的正向退化；下一代3.3kV全SiC模块将这个二极管集成到芯片中，做成了一个芯片，可以避免长期工作后MOSFET体二极管正向压降发生变化，还可以提高模块的功率密度。

目前量产的3.3kV 750A SiC MOSFET内置了二极管芯片（SBD），3.3kV产品有6kV（标准LV100封装）和10kV（标准HV100封装）两个绝缘等级。正在开发的6.5kV SiC MOSFET也内置了SBD，大幅减小了芯片面积，功率密度达到9.3kVA/cm3，采用高导热性和高耐热性绝缘衬底以及高可靠性的芯片焊接技术，芯片具有良好的散热和耐热性。通过提高器件开关频率，有助于实现高压变流器的小型化和节能；
据介绍，高压SiC模块已成为应用的主流。3.3kV的主要应用之一是轨道牵引中的整流器和逆变器。
2014年，三菱电机的3.3kV 1500A全SiC MOSFET功率模块开始在日本小田急列车上应用；2015年，在新干线列车上的应用；2019年，LV100封装的3.3kV 750A全SiC MOSFET功率模块在小田急5000型列车上应用。时至今日，国内外轨道牵引已经不用以前的二极管整流，而采用SiC MOSFET、IGBT器件。

第二个应用是中低压输配电，为了提高效率，需要利用SiC器件实现中低压输电，一般采用MMC结构。其中的电力电子变压器采用全桥、半桥拓扑，包括整流部分、隔离部分和逆变部分。一般隔离部分用SiC器件比较多，可以有效减小变压器体积。

在功率密度方面，正在从过去的IGBT技术经过封装优化向采用SiC MOSFET的模块发展，最早的H系列功率密度仅为4.51 cm2，现在是10.71A/cm2，提升了两倍多，使整个变流器的体积、效率都有质的优化。

在量产产品中，有3.3kV混碳和全碳两种器件，混碳包括IGBT部分，二极管是全SiC，好处是大多数客户能接受这样的成本，损耗也能降低很多。因为二极管是SiC材料，反向恢复损耗抑制的非常低。在一些领域，如二极管占主导地位的应用中，这个模块非常适用。目前的产品有两个等级：1700V 1200A和3.3kV 600A。

3.3kV全SiC器件包括三个型号：750A、375A、185A。185A正在进行测试，使用这个器件，整个变流器体积和效率都会有很大优化，其封装和硅器件一样，但结构设计布局可以简化很多。

对比3.3kV 600A硅器件、混合SiC器件和全SiC器件的开通波形，可以看到，硅器件的开通损耗是1.02，混合SiC器件是0.62，SiC器件是0.42。全SiC比硅约降了60%，效果非常明显。

关断损耗方面，主要对比了硅和混合SiC，因为它们的前端都是IGBT，损耗都比较大，切换成SiC器件后，由1.05降到了0.14，降低幅度非常大。

功耗仿真很能说明问题，仿真条件为：母线电压1800V，电流等级450A，频率5kHz，这是3.3kV全SiC器件比较优化的频率，比以前硅器件提高了10倍左右，以前牵引用3.3kV硅器件在1kHz以下。从整体损耗看，全SiC器件比硅器件降低了76%，随着条件的变化，这个损耗会有所波动，但降低幅度仍非常大。

应用痛点何以化解？

高压SiC模块的驱动是应用中的一个难题，也许是因为三菱电机是功率半导体大厂，并没有自己开发驱动，而是有很多厂商专门为其开发驱动。其推荐的几款驱动器经过测试得到了认可，包括日本品牌IDC和田村、美国的PI（Power Integrations）和国产品牌青铜剑。
3.3kV高压SiC模块在国内的应用刚刚开始，为了应对产品开发实践或生产碰到的一些问题，三菱电机开发了一款工艺组件设计。其拓扑用的模块是3.3kV 750A SiC模块，因为对牵引应用的电流等级稍小一些，所以并联非常必要，该组件是用2个3.3kV 750A SiC模块并联的。
利用这个平台可以对SiC的驱动特性进行具体研究，并提供给客户进行测试，复现实验室的测试结果，解决应用中的一些实际问题；也可以对一些相同封装的驱动板进行评测。其开发目标是额定功率1.2MW，输出电压1140Vrms，输出电流600Arms，母线电压1800V到2200V，频率设置5kHz。因为是并联应用，其关键点是电流不平衡率小于10%。该组件未来将用在轨道牵引、直流输配电、高压变频等领域。
实验室搭建的测试平台包括两个SiC功率模块、定制的母排，驱动器方案选择了日本的产品，包括主板和从板；还有定制的直流侧电容和散热器。

该组件设计中遇到了很多问题，特别是驱动设计和瞬态换流回路的设计，以及并联的问题。由于驱动设计采用了成熟的驱动器，没有什么问题。主要关注的是瞬态换流回路设计，它不同于以前的普通回路设计。普通器件如果频率比较低，很少考虑电路中器件的寄生参数，但瞬态换流回路必须要考虑瞬态寄生参数，如杂散电感、杂散电容等，因为这些都会影响相互并联的器件开通和关断的瞬态表现，从而影响IGBT或MOSFET的效果。经研究发现，在大功率设计中寄生电感最重要，所以要把寄生电感作为一个重点目标。
瞬态换流回路设计是为了考虑杂散参数对换流过程的影响，所以将杂散参数作为瞬态换流回路的设计目标。瞬态换流回路包括系统换流回路和单元换流回路两部分。
系统换流回路的目标是控制回路中的杂散电感，因为杂散电感可以在换流过程中导致非常高的电压尖峰，太高则会击穿IGBT模块；单元换流回路是要解决模块开通和关断时间不一致的问题，因为模块电气连接相同，但结构不同，模块1（红色）和模块2（绿色）的母排、导线长度等不同，其中很多寄生参数会有一些差异（图中黄色圈），会导致模块开通和关断时间不一致，引起均流问题。所以单元换流回路的设计目标是要确保相互并联的功率模块的杂散参数尽可能接近，从而控制模块开通的电流变化率也尽可能接近，达到良好的均流效果。

瞬态换流回路的设计包括三个步骤：

第一步

瞬态换流回路系统分析，包括瞬态换流回路的提取；判断杂散参数，包括电容、电感等，看哪个参数对系统最重要，把最重要的作为设计目标，然后简化电路，方案中只包括最重要的设计目标；根据系统要求确定将杂散参数控制在多大范围。

第二步

进行理论设计，包括理论计算及系统建模仿真，以优化母排和结构布局，最终将杂散参数归结到结构设计上。

第三步

瞬态换流回路的实验验证，优化母排，调整布局后进行实验，主要测试杂散参数，和前面的目标进行对比，看有没有达到要求；对安全工作区进行验证，看模块的开通关断是不是在安全工作区范围内。

根据设计方案，系统换流回路设计实际上是把母排作为设计目标，在这个方案中，母排电感目标定在小于20nH，这样才能把关断电压控制在2200V左右的安全工作区范围内，以满足系统要求。单元换流回路是在模块1和模块2提取后，把一些寄生参数做到一致，进而使开通关断一致。
前面这些设计结束后，对整个系统进行验证，选择一个驱动器进行验证。
主要是并联测试验证，选择三个测试条件：开通750A、关断750A（都是IGBT额定值），以及关断1500A（两倍额定电流）。可以看到，均流效率为两个电流之间的差值除以一个平均值，得到1.6%、0.9%和1.1%。尖峰电压控制在2200V，双倍额定电流关断也可以控制在2300V，效果非常好，均流和电压都控制得不错。
如赵争鸣教授所说，快速短路保护是SiC模块使用中最大的可靠性问题，它受很多因素的影响，包括SiC芯片本身的体二极管和反偏二极管很容易出问题，造成门极干扰或参数不匹配。另外，由于高开关速度，在DS、GS脚之间容易产生高电应力，使脉冲非常高；商用SiC模块在封装工艺方面不是很成熟，包括焊接。另外，因为器件太快，故障保护速度不够，来不及反应。
所以，SiC模块的短路特性比较严格，每个厂商都提出了各种各样的保护措施，三菱电机的模块做的是两并联的短路测试。
在1800V和2000V母线条件下测试，从实际测试看，均流效率方面每个电流的差异都不大，尖峰电压控制在2200V-2400V的合理范围。保护功能在3μs时已经起作用，可以将MOSFET安全关断。总之，均流效率和尖峰电压都控制得不错。

写在最后

让理想优势照进现实

如赵争鸣教授强调的那样，SiC器件的快速发展将经历从理想优势到应用效益的转变，人们先是期待获得高频、高压、高温等优异的特性，也得到了一些好处，效率提高很多，但也发现了大量问题，在实际现场大规模使用SiC MOSFET仍处在一个两难的阶段。因此，要不断将问题反馈给SiC器件研制者、制造商，只有器件开发者和使用者不断来回迭代、研讨、协商，才能解决这些问题，让SiC器件发挥应有的作用。

- END -

---

编辑：木心