全SiC/半SiC智能功率模块功耗研究

冯宇翔

广东美的制冷设备有限公司 广东顺德 528311

1 引言

针对如今地球环境与能源紧缺的问题，人们在供电方面增强了利用可再生能源的意识；而在实现电力消费时的节能方面，其也对利用电力电子器件的期待愈益迫切，预计未来将推动电力电子市场的不断扩大。对用于机器控制的功率器件而言，必须持续追求器件的高性能化，从而达到低损耗化。目前普遍采用的Si功率器件，尤其是IGBT，随着时代的更新，应力求提高其性能，以支撑人们生活和工业上的需求。但是，在产品设计阶段，对器件性能改善的要求越来越严格，应在Si成熟的技术基础上进行跳跃式的技术提升，以便实现性能上更高的突破[1]。

SiC功率模块是全球电力电子器件领域重点的发展方向。碳化硅功率模块已经在一些高端领域实现了初期应用，包括高功率密度电能转换，高性能电机驱动等，具有广阔的应用前景和市场潜力。在SiC功率模块领域，首先开始研发的是基于SiC功率二极管和硅基IGBT的混合式功率模块。Si模块通常由Si-IGBT与Si-PiN二极管的双极性器件组成，如果采用单极性器件SiC-MOSFET与SiC SBD组成模块的话，少数载流子引起积蓄电荷的影响小，恢复（recovery）电流和脉冲后的尾部（tail）电流均非常小，故从减少开关损耗的角度看，这是非常有吸引力的。但是，相比于SiC-SBD，SiC-MOSFET在量产上的技术难度较高，所以历史上最早的民用SiC模块采用的是Si-IGBT+SiC-SBD混合模块模式。这种混合模块配置了SiC-SBD，其恢复电流小，在空调运行时变频器损耗平均约减少15%[2-3]。随着SiC器件的进步，全SiC功率模块不断被开发出来。由于SiC-MOSFET制造技术的提高，全SiC模块的可靠性也将得到保证。

2 实验

图1为智能功率模块电路结构示意图，模块分为驱动部分和功率部分，其中功率部分包含开关器件IGBT和快恢复二极管FRD。

2.1 SiC功率器件的节能效果

为了研究SiC器件的节能效果，实验将功率器件部分全部替换为SiC器件，共设计了四款模块，如表1、图2所示，进行功率器件节能效果对比。IPM-1开关器件为SiC-MOS，二极管为SiC-SBD；IPM-2开关器件为SiCMOS，二极管为Si-FRD；IPM-3开关器件为Si-IGBT，二极管为SiC-SBD；IPM-4开关器件为Si-IGBT，二极管为Si-FRD。四款模块使用了相同的栅极驱动电阻。

IPM功耗测试电路如图3所示，在工况稳定的室外机工作环境下，变频空调室外机正常运转，用功率分析仪（横河WT1800）测量IPM输入功率和输出功率，使功率分析仪自动计算出IPM的功耗。运转频率可通过程序设置，在20 Hz～90 Hz之间每10 Hz为一个测量点，功率稳定30分钟后进行测量，测量完毕后换到下一个测量点。

实验在室温、20 Hz～90 Hz条件下进行测试结果如图4所示。实验结果发现在20 Hz～90 Hz电压频率条件下，全SiC模块IPM-1功耗最低；全Si模块IPM-4模块功耗最高；只将开关器件替换为SiC-MOS功耗低于只将二级管替换为SiC-SBD；其功耗关系为IPM-1（SiCMOS+SiC-SBD）＜ IPM-2（SiC-MOS+Si-FRD）＜IPM-3（Si-IGBT+SiC-SBD）＜IPM-4（Si-IGBT+Si-FRD）。全SiC模块相对于全Si模块功耗减少约25%。

2.2 栅极电阻对节能效果的影响

实验设计了2款模块，如表2、图5所示。通过对比研究了栅极电阻值对SiC IPM的节能效果。其中，IPM-1栅极电阻值为100 Ω；IPM-5栅极电阻值为30 Ω；两款模块使用了相同型号的开关器件和二极管[4-5]。

实验在室温条件下20 Hz～90 Hz进行功耗对比测试如图6所示。实验结果显示在20 Hz～90 Hz电压频率条件下，全SiC模块IPM-5（栅极电阻为30 Ω）功耗低于IPM-1（栅极电阻为100 Ω）。

表1 模块设计对比

表2 IPM1和IPM5模块设计对比

图1 六通道IPM电路示意图

图2单个半桥电路示意图（a）IPM-1；（b）IPM-2；（c）IPM-3；（d）IPM-4

图3 IPM功耗测试电路示意图

图4 不同功率器件组合在20 Hz～90 Hz运行条件的功耗对比图

图5 单个半桥电路示意图（a）IPM-1栅极电阻为100 Ω；（b）IPM-5栅极电阻为30 Ω

图6 不同栅极电阻全SiC模块在20 Hz～90 Hz运行条件的功耗对比图

图7 不同栅极驱动电压全SiC模块在20 Hz～90 Hz运行条件的功耗对比图（a）Rg=100 Ω；（b）Rg=30 Ω

2.3 驱动电压对SiC IPM能耗的影响

实验分别测量了IPM-1和IPM-5 MOSFET驱动为15 V和18 V的SiC IPM功耗，实验结果显示，将模块驱动电压由15 V提升为18 V后，SiC模块功耗降低。如图7所示。

3 总结

实验结果显示：在20 Hz～90 Hz电压频率条件下，全SiC模块IPM-1功耗最低；全Si模块IPM-4模块功耗最高；只将开关器件替换为SiC-MOS功耗低于只将二级管替换为SiC-SBD；其功耗关系为IPM-1（SiC-MOS+SiCSBD）＜IPM-2（SiC-MOS+Si-FRD）)＜IPM-3（Si-IGBT+SiC-SBD）＜IPM-4（Si-IGBT+Si-FRD）；将SiC栅极电阻降低后，SiC IPM功耗降低；增加SiCMOS栅极电压后，SiC IPM功耗降低。适当降低全SiC IPM的栅极电阻、增加SiC-MOS栅极电压可以进一步降低SiC IPM的功耗[6,7]。SiC IPM的功耗最高可降低约40%。