碳化硅二極管在PWM整流器中有哪些應(yīng)用

隨著電力電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，由于傳統(tǒng)的二極管整流或采用晶閘管的相控整流存在功率因數(shù)低、向電網(wǎng)注入諧波大等諸多弊端，在這種情況下，功率因數(shù)高、向電網(wǎng)注入諧波極小的PWM整流新技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。PWM整流的開關(guān)管一般都工作在高頻情況下，以確保PWM整流的優(yōu)良性能。而由此帶來的卻是開關(guān)應(yīng)力和開關(guān)損耗等新問題。

從理論上講，采用軟開關(guān)技術(shù)可以很好地應(yīng)對PWM整流的許多新問題。但是，由于軟開關(guān)需要增加輔助電路網(wǎng)絡(luò)，使得電路拓?fù)浜涂刂聘鼮閺?fù)雜，大大降低了變換器裝置工作的可靠性，因此實(shí)際實(shí)施起來還存在很大問題。如果PWM整流采用硬開關(guān)，工作在高頻情況下的開關(guān)管損耗及由此引發(fā)的不少其他問題，將使開關(guān)管難以承受。所以，PWM整流雖然提出已經(jīng)超過10多年了，但迄今為止在大功率方面的實(shí)際應(yīng)用仍然非常有限，實(shí)際應(yīng)用多是小功率。若采用寬禁帶半導(dǎo)體電力電子器件，尤其是在大功率領(lǐng)域，將會(huì)使PWM整流的許多新問題得到滿意解決。

蘇黎世理工學(xué)院電力電子系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室將寬禁帶半導(dǎo)體器件引入到為航空電源系統(tǒng)開發(fā)的10kW三相 WIENNA高功率因數(shù)整流器功率模塊中，取得很好的實(shí)際效果。該功率模塊中的電力電子器件由 RDSon COOLMOS+SiC二極管組成。電路拓?fù)溥x擇三相、三電平、六開關(guān)的 WIENNA整流器拓?fù)洌鐖D1所示。

對于大功率、高效率、超緊湊式的高功率因數(shù)整流器，直接三相整流器，諸如三電平維也納整流器，是比較適合的整流解決方案。特別是航空電源系統(tǒng)，這是因?yàn)樾乱淮娘w機(jī)將在380Hz和800Hz之間變換。為了使諧波畸變最小，整流器開關(guān)頻率的基頻需要增加到100kHz以上。這樣高的頻率只能使用MOSFET作為功率開關(guān)。維也納整流器是三電平的拓?fù)?，它能減少電壓應(yīng)力和容許600V的MOSFET使用在400V線電壓主系統(tǒng)上。當(dāng)和SiC二極管組合后，開關(guān)損耗會(huì)進(jìn)一步降低，整流器仍能達(dá)到高效率和高開關(guān)頻率。當(dāng)用厚度只有12mm的小型SP6-P微封裝時(shí)，最小化的寄生電感和寄生電阻，變換器的性能會(huì)更進(jìn)一步提升。該微封裝的特性具有可焊的端子，能夠和置有去耦電容器和柵驅(qū)動(dòng)電路的頂部PCB直接接口。

電源選擇了6開關(guān)維也納整流器拓?fù)洌ㄒ妶D1）。它在開關(guān)導(dǎo)通期間，每相的相電流僅流過二極管，因此具有較低的通態(tài)損耗。因?yàn)镾iC二極管易受高頻開關(guān)的影響，接近零反向恢復(fù)性能的SiC二極管直接連接到正的和負(fù)的直流總線。為了達(dá)到高功率密度，無源元件（包括電感和電容）和功率半導(dǎo)體器件的體積必須盡量減小。和常用系統(tǒng)相比，增加開關(guān)頻率5~10倍，就可大大減少分立無源元件的尺寸。

圖1 WIENNA整流器拓?fù)?/p>

整流器的元器件配置包括許多分立器件（6個(gè)快速SiC二極管、6個(gè)MOSFET、3個(gè)晶閘管和3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)整流二極管），使用這些不同工藝的分立器件可以構(gòu)成一個(gè)完整的拓?fù)渑渲?，從而適應(yīng)很寬的功率范圍。此外，連接半導(dǎo)體器件的長電纜不可避免地會(huì)產(chǎn)生導(dǎo)線電感，這會(huì)增加功率半導(dǎo)體器件的電壓應(yīng)力，同時(shí)限制開關(guān)速度。同時(shí)考慮到瞬變或振蕩有可能出現(xiàn)，并且很難抵消或者衰減掉，這會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和電磁兼容性能。因此有必要把所有的功能集中在一個(gè)單獨(dú)的封裝里，以實(shí)現(xiàn)三電平維也納整流器的功率轉(zhuǎn)換模塊，如圖2所示。

圖2 功率模塊電氣圖

電路中相控晶閘管的特性為URRM=1200V，lTAV=30A，UTO=0.85V，RT=10m?。主要的整流二極管VD1B、VD3B和VD5B的特性為URRM=1200V，ITAV=40A，VTO=0.8V，RT=6.5m?。MOSFET開關(guān)用600V超低導(dǎo)通電阻的RDSonCOOLMOS，較低的輸入電容可以允許它在幾百千赫范圍高頻工作，在輸出高功率時(shí)其導(dǎo)通損耗還可以接受。每個(gè)高頻二極管用兩個(gè)10A 600V的SiC二極管管芯并聯(lián)構(gòu)成。由于SiC二極管的正向壓降UF具有正溫度系數(shù)，分配到每個(gè)器件的靜態(tài)電流是絕對安全的，不會(huì)有熱失控的危險(xiǎn)。與同標(biāo)準(zhǔn)的快速硅二極管相比，SiC二極管具有零正向和反向恢復(fù)損耗的重要優(yōu)勢。圖3給出了在一個(gè)常規(guī)的升壓斬波電路中，快恢復(fù)硅二極管（FRED）的恢復(fù)性能。

圖3 升壓開關(guān)使用Si二極管時(shí)，電壓、電流在導(dǎo)通時(shí)的開關(guān)損耗

當(dāng)采用硬開關(guān)時(shí)，二極管的恢復(fù)電流對功率開關(guān)的導(dǎo)通損耗有明顯的影響。隨著開關(guān)頻率的增高，這種特性會(huì)使功率開關(guān)和二極管產(chǎn)生大量導(dǎo)通損耗，而且在恢復(fù)階段的后期產(chǎn)生振蕩，由此引起明顯的系統(tǒng)噪聲，而這很難通過昂貴的及大型的輸入濾波器來削減。

另外一方面，圖4給出了升壓開關(guān)在相同的導(dǎo)通性能時(shí)，用SiC二極管代替硅二極管后的情況。

圖4 升壓開關(guān)使用SiC二極管時(shí)，電壓、電流在導(dǎo)通時(shí)的開關(guān)損耗

采用SiC二極管快恢復(fù)的結(jié)果，只在開關(guān)和二極管中產(chǎn)生非常低的開關(guān)損耗。在二極管關(guān)斷時(shí)，只觀察到很小的峰值電流，這是由于肖特基勢壘器件的結(jié)電容而不是反向恢復(fù)性能引起的。與使用通常的快恢復(fù)二極管對照，沒有測到瞬變或振蕩。如此穩(wěn)定的開關(guān)最有利于降低輸入濾波器的尺寸和復(fù)雜性，并且有利于幫助滿足抗電磁干擾和射頻干擾的要求。

SiC器件的快恢復(fù)性能不僅在常溫下非常卓越，而且在很寬的溫度范圍內(nèi)也很穩(wěn)定。圖5給出Cree公司的一個(gè)10A/600V SiC二極管和硅二極管在相同電流和電壓級別下，在不同結(jié)溫度范圍內(nèi)的反向恢復(fù)特性的比較。

圖5 在不同的結(jié)溫度下，SiC二極管和Si二極管的反向恢復(fù)特性比較

SiC器件呈現(xiàn)出不受溫度變化影響的開關(guān)性能，甚至在很高結(jié)溫下還能夠穩(wěn)定地工作。同硅二極管比較，使用SiC器件的開關(guān)損耗也保持在一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)，而硅器件的開關(guān)損耗則隨著溫度的上升而顯著地增加。

COOLMOS（低損耗MOS場效應(yīng)晶體管）和SiC器件都能夠在高溫下工作，極有利于航空中應(yīng)用。因?yàn)橐獙⒐β势骷糜陲w機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)附近，即電力電子系統(tǒng)集成的要求不斷地增強(qiáng)。當(dāng)本征載流子密度達(dá)到基體材料的摻雜密度的量級時(shí)，電參數(shù)預(yù)期會(huì)明顯地變化。最高結(jié)溫也取決于擊穿電壓，例如，1000V擊穿電壓的器件，其結(jié)溫為150℃，100V為200℃。在相同的阻塞電壓下，與普通的硅晶體管相比， COOLMOS晶體管基區(qū)的高摻雜濃度可以容許在較高的溫度下工作。因此COOLMOS器件能夠在200℃地工作。本征載流子密度取決于半導(dǎo)體材

料的帶隙。由于SiC器件中的材料帶隙是Si器件的3倍，所以SiC器件能夠在0℃及以上的溫度下工作（主要受封裝技術(shù)的限制）。

還應(yīng)該指出，隨著溫度的上升，COOLMOS晶體管和SiC器件都呈現(xiàn)出很低的泄漏電流，當(dāng)提高工作溫度時(shí)，可以最底限度地減少功耗和提高可靠性。同樣，由于SiC器件熱傳導(dǎo)是Si器件的3倍，SiC器件能夠提供很高的電流密度，因而還可以減小功率系統(tǒng)的尺寸。

圖6示出將所有功率半導(dǎo)體器件用銅焊接在鋁襯底上的功率模塊圖。封裝中用了三塊相同的襯底來提供良好的設(shè)計(jì)對稱性。為了使熱量良好地傳輸?shù)缴崞?，將襯底焊接到一個(gè)銅基板上。

圖6 拆開蓋的微封裝的功率模塊

圖7 完整的SP6-P功率模塊

為了更進(jìn)一步減小正比于元件連接數(shù)的寄生電感，用單獨(dú)的Vbus和0/V bus連接每一個(gè)橋臂。同時(shí)，電源連接也盡可能靠近功率半導(dǎo)體器件附近，以減少雜散電感，縮短高頻回路，并有利于和置于在外部直接通過功率模塊輸出端的外部電容器解耦。電源連接處用短而寬的鋁框架端扣住，有利于連接到頂部的PCB。模塊用硅膠密封，并覆蓋塑料蓋（見圖7）。這種結(jié)構(gòu)能滿足由惡劣的航空環(huán)境所確定的高加速應(yīng)力測試。

使用比氧化鋁襯底具有更好熱傳導(dǎo)性的氮化鋁襯底，可以進(jìn)一步提高熱性能和擴(kuò)展工作溫度范圍。另一方面，使用密度僅為銅的1/3的碳化鋁硅（ AlSiC）基板，能夠明顯地減輕功率模塊的重量，這對于航空電氣系統(tǒng)具有重要的意義。AlSiC金屬基體合成材料所具有的溫度膨脹系數(shù)非常接近功率器件的焊接襯底，能夠顯著地提高功率模塊溫度周期性變化特性，從而提高整個(gè)功率系統(tǒng)的總體可靠性。

通過采用COOLMOS+SiC二極管以及各種技術(shù)措施，由蘇黎世ETH電力電子系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的功率輸出為10kW的三相維也納整流器功率模塊，實(shí)現(xiàn)了8.5kW/in3（0.518W/cm3）的功率密度，這只是100kHz開關(guān)頻率情況。若將開關(guān)頻率進(jìn)一步提高到400kHz，可使用更小的EMI濾波器和升壓電感器，得到更高的功率密度，并能夠保持9.5%以上的高效率。

圖8示出的是使用了小尺寸的扁平升壓電感器的功率模塊，已連接到經(jīng)優(yōu)化的氣冷散熱片上。圖中，塑料蓋已移開。PCB上有103陶瓷電容（AVX 220nF 630V SMD），容量為22.7μF，被安裝在模塊的頂部而不是模塊的蓋板上。SMD電容安裝在PCB底部，使得在相同體積的情況下，能夠增加頂部電容。該板和集成到模塊中的電容器比較起來，有相同的低電感，但卻不會(huì)出現(xiàn)問題，因?yàn)殡娙葜辉谀K內(nèi)部經(jīng)受熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力。

圖8 功率模塊安裝在氣冷散熱片上的CAD裝配圖

設(shè)計(jì)的整流器具有低寄生電感以及高功率密度，以便能在最小輸出電容下工作。系統(tǒng)標(biāo)稱電壓為400V，能在320~480V很寬的線電壓范圍內(nèi)工作。如果需要調(diào)整輸出電壓到800V，可以分成兩路400V輸出。為了輸出10kW的功率，輸入相電流有效值大約為15A。一個(gè)控制環(huán)路工作在開關(guān)頻率處的全數(shù)字化控制器用來產(chǎn)生400kHz的開關(guān)信號(hào)。圖9和圖10示出定型后的整流器的三維CAD造型，圖11和圖12所示分別是相應(yīng)的底視圖和頂視圖。

圖9 8.5kW/m3功率密度的強(qiáng)制氣冷維也納整流器3-D造型的俯視圖

圖10 8.5kW/m3功率密度的強(qiáng)制氣冷維也納整流器3-D造型的底視圖

由圖11和圖12可見，輸入EMI濾波器占據(jù)大約30%的體積，氣冷系統(tǒng)也占據(jù)大約30%的體積。升壓電感器、功率模塊、互聯(lián)線與控制板占據(jù)了剩余的空間。在4層的主PCB上，電流從輸入端經(jīng)過EMI濾波器，電流傳感器和升壓電感，最后到功率模塊。陶瓷輸出電容器安裝在隔離的PCB上，PCB直接裝到功率模塊的頂部。這能最低限度地減小升壓二極管和輸出電容之間的電感。另外，電解輸出直流電容器安裝在PCB主板的上面。6個(gè)MOGFET和3個(gè)晶閘管的柵驅(qū)動(dòng)器安裝在數(shù)字控制板的下面。3個(gè)高帶寬（1MHz）磁阻電流傳感器垂直安置在升壓電感器和最后一個(gè)EMI子板之間。輸入和輸出電壓測量電路也安裝在PCB主板。數(shù)字控制器基于模擬器件ADSP-21992DSP構(gòu)成一個(gè)單獨(dú)的PCB，直接插入到PCB主板。DSP的采樣速率是400kHz的開關(guān)頻率，并能夠用匯編語言編程。10kW的三相維納整流器的總體積是1200cm3。

圖11 10kW維也納整流器俯視圖

圖12 10kW維也納整流器底視圖

對維納整流器的性能進(jìn)行了初步測試。圖13示出在230V相電壓，680V輸出電壓和4kW的功率輸出時(shí)的三相輸入電流和一相輸入電壓情況。由圖13可見，在4kW的輸出功率時(shí)，線電流為5.8ARMS，THD為4.75%（高到第20次諧波）。從電流波形可以看出，相電流過零點(diǎn)時(shí)有失真，該失真又會(huì)引起其他相電流的失真。控制系統(tǒng)此刻開始以箝制過零點(diǎn)時(shí)的開關(guān)來消除任何對相電壓和相電流測量的噪聲敏感性。

圖13 實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示的4kW功率輸出的三相電流CH1-CH3和輸入電壓CH14波形

大功率、高效和緊湊式的單位功率因數(shù)整流器是最佳電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的精選、是當(dāng)前最佳功率半導(dǎo)體器件和3維裝配現(xiàn)代化封裝技術(shù)相結(jié)合的成果。由蘇黎世ETH實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的具有8.5kW/L功率密度的三相超緊湊式維也納整流器，具有3級轉(zhuǎn)換器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，是允許使用600V耐壓器件在400V的線電壓工作的最佳選擇，而其他的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)需要1200V的耐壓器件。600V晶體管比等效的1200V晶體管具有更低的導(dǎo)通和開關(guān)損耗。當(dāng)和SiC二極管組合時(shí)，現(xiàn)代工藝的超結(jié)MOSFET器件能全速工作，而相比于用硅二極管時(shí)的開關(guān)電流，額定值又沒有明顯的降低。以芯片形式裝入小型的ST6-P封裝，能保持功率半導(dǎo)體器件的全速性能，又不會(huì)在功率電路上產(chǎn)生額外的寄生效應(yīng)。100kHz的工作頻率已經(jīng)滿足了控制環(huán)路的要求，如果進(jìn)一步提高工作頻率至400kHz，那將能更強(qiáng)烈的減小磁性元件和全系統(tǒng)的體積。

該系統(tǒng)還有進(jìn)一步改善的潛力。如可用氮化鋁襯底來改善整流器的性能，在相同的輸出功率下，降低器件結(jié)溫。并有可能在同樣的工作溫度下，提高效率或增加輸出功率；使用AlSiC基板代替銅基板，可以降低功率模塊的重量，亦即減少整流器的重量；改善功率模塊的溫度周期特性，必要時(shí)使系統(tǒng)能適應(yīng)快速短暫的溫度變化等。