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我们常说,一代电力电子器件决定一代系统设计。那么,基于宽禁带半导体材料的SiC MOSFET的出现,将给电力电子系统设计带来哪些颠覆性的改变?英飞凌零碳工业功率事业部技术总监沈嵩先生,在2023英飞凌工业功率技术大会(IPAC)上,发表了《CoolSiC MOSFET 赋能电力电子系统的创新设计》的演讲。
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SiC MOSFET相对于Si IGBT,性能大幅度改进。主要表现在:
(a) SiC MOSFET没有拖尾电流,关断损耗大幅度降低
(b) SiC MOSFET体二极管反向恢复损耗降低
(c) SiC MOSFET导通无拐点,导通损耗降低
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CoolSiC MOSFET可降低损耗,提升系统功率/效率
(a) 把1500V ANPC光伏逆变器的全Si方案--F3L400R10W3S7_B11中的 D5/D6管从200A Si Diode,切换为100A SiC diode,得到新模块-- F3L400R10W3S7F_B11,系统功率从175kW上升到200kW
(b) 在光伏Boost中,相比于1200V 50A CH7加 Si Diode方案,1200V SiC MOSFET+SiC diode的方案,高温下开关损耗最多可降低80%。
(c) 氢燃料电池是新兴的应用,对能效的要求非常高。氢燃料电池车的电力电子系统主要有DCDC升压变换器和空压机。DCDC升压变换器主流方案有两种:SR boost及boost方案。两种方案英飞凌都有完整的方案提供。
(d) 燃料电池空压机要求高频率、高功率、高效率,只有SiC MOSFET能满足这些要求。针对空压机的35kW典型功率,英飞凌有单管和模块两种方案提供。
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CoolSiC MOSFET 可简化系统拓扑设计
(a) 2kV SiC MOSFET系列上市,TO-247PLUS-4-HCC封装增加了爬电距离和电气间隙,.XT高性能焊接技术改善了热性能。对1500VDC光伏系统带来的改变是,可以用两电平拓扑代替原来的三电平拓扑。
(b) 2kV EASY封装的DF4-19MR20W3M1HF_B11集成了4路boost,最大boost电流可达40A。模块成功应用于阳光电源,将传统Si器件的三电平电路简化为两电平电路,同时减小芯片面积约70%,轻载工况下的效率最高提升1%。
(c) SiC MOSFET可简化充电桩应用中DCDC拓扑。传统的充电桩使用650V Si MOSFET,两级LLC串联达到800V的输出电压。现在采用1200V SiC MOSFET可以只采用一级LLC单元,意味着整体体积可降低50%,功率密度提升一倍,并且可以实现双向能量流动。
(d) 采用CoolSiC EasyPACK可提升充电桩的功率。采用FF6/8MR12W2M1HP_B11可实现双向50kW充电桩,采用三相交错CLLC拓扑,英飞凌有相应的demo板可供参考。
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CoolSiC MOSFET 可促成系统集成化
(a) 在电机驱动应用中,SiC MOSFET导通损耗在各种工况中相比IGBT都有所降低。开关损耗方面,相同dv/dt的条件下,SiC MOSFET开关损耗最多可降低50%~60%,如果不考虑dv/dt的限制,SiC MOSFET开关损耗最多可降低90%。
(b) SiC MOSFET应用于伺服系统中,损耗最大可降低80%。散热方式可由主动散热改为被动散热,从而可以与电机集成。允许更大的脉冲电流,实现输出功率跳档,提升效率。
(c) 英飞凌推出的SMD封装的SiC MOSFET从30mohm到350mohm,可实现强制风冷条件下1Kw~9kW,自然冷却条件下400W~3kW的系列化设计
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CoolSiC MOSFET 带来全新系统设计
(a)传统的断路器由机械开关组成,通过开关柜和其它控制板实现保护、测量、联网、断合等功能。SiC MOSFET应用于智能断路器,可以将这些功能集中在一个单元中,大大缩小系统体积。
(b)SiC MOSFET应用于高压智能断路器,不需要考虑灭弧问题,而且能对电气表现做更精确的控制。
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总结
(a) 英飞凌提供完整的SiC MOSFET产品目录,单管覆盖650V~2000V,导通电阻从7mohm到350mohm。
(b) EASY系列的SiC MOSFET模块产品有多种拓扑,包括半桥、H桥、三相桥、booster、三电平等,最大电流等级做到2mohm。
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