基于新型分离输出拓扑结构的SiC-MOSFET功率模块

日期:2014-10-31

 
作者:陈道杰Vincotech中国
 
摘要高频化和高功率密度化是电力电子装置发展的趋势,其中最核心的技术就是电力电子器件的高频化。随着宽带宽材料SiC器件的发布,这个问题从本质上得到了解决。但随着应用中开关频率的进一步提高,SiC-MOSFET的体二极管正在成为瓶颈。虽然SiC-MOSFET体二极管相对于Si-MOSFET,结电容已经大大降低,但是相对于SiC肖特基二极管,仍然偏大。本文介绍了一种新型的分离输出拓扑结构,在开关状态下,屏蔽体二极管的导通,从而降低SiC-MOSFET的开通损耗,同时抑制桥臂直通的风险。
 
 

背景
随着电力电子技术的不断发展,高频化和高功率密度化已成为电力电子发展的主要研究方向和发展趋势。在单相220V电网中小功率应用中,随着600V电力电子器件的不断更新换代,开关频率已经从早期的几Khz发展到现在的几百Khz,甚至1Mhz以上。这大大带动了小功率开关电源,通信电源行业的发展。但反观三相380V系统,高频化的进展非常缓慢,通用的开关频率仍然在20khz以下。但随着电力电子应用的不断深化,三相系统高频化渐渐被推上了日程,主要的需求来源于UPS、光伏逆变器、智能电网应用等。限制三相系统高频化的因素主要是1200V的功率器件仍然以IGBT为主,IGBT关断时的拖尾电流造成关断损耗很难大幅降低,从而限制了开关频率的进一步提升。随着新的宽带宽材料SiC器件的发布,这个问题从本质上得到了解决。但随着应用中开关频率从几十kHz提高到上百kHz,标准半桥电路中SiC-MOSFET的体二极管正在成为瓶颈。虽然SiC-MOSFET体二极管相对于Si-MOSFET,结电容已经大大降低,但是相对于SiC肖特基二极管,仍然偏大,这限制了开关频率的进一步提升。
 
 
标准半桥电路缺点
标准的半桥电路拓扑如图1,通过三个标准半桥电路组成的三相全桥电路是目前三相380V系统逆变器中应用最广泛的电路。但这个电路对于基于SiC-MOSFET器件的高频应用,有着如下几个缺点:

图1:基于SiC MOSFET的半桥电路
 
SiC-MOSFET体二极管的反向恢复电流
如果SiC-MOSFET的体二极管用于反向续流,体二极管的反向恢复电流将会增加开关损耗,如图2中的1回路。上管开通前,下管的体二极管在续流。当上管开通后,负载电流从下管体二极管切换到上管中。当负载电流完全切换后,输出点电压为DC+,体二极管承受反向电压并进入反向恢复状态。这会造成二极管的反向恢复损耗Erec,同时导致上管的开通电流尖峰,从而增加上管的开通损耗以及系统的EMI问题。虽然SiC-MOSFET的反向恢复电荷相对于Si-MOSFET改善了很多,但在>50khz的系统中,仍然是不可忽略的一部分。

图2:电路等效图和换流过程
 
输出电容
SiC-MOSFET的输出结电容相对来说比较大,在低寄生电感回路中,上管的开通电流一部分会流过下管的结电容,用于下管的关断,这也会增加上管的开通损耗和EMI,如图2中的2回路。
 
桥臂直通
SiC-MOSFET的开通速度非常快,在半桥结构中,会产生很大的dV/dt。输出中心点电压的快速变化在米勒电容上会产生一个位移电流,对下管的门极电容充电,见图2中的3回路,这有可能造成下管的短时间误导通,从而增加额外的损耗。
 
 
分离输出拓扑介绍
分离输出拓扑的出发点是根据换流回路把标准半桥电路分成两个电路,一个为电压正半周回路,一个为电压负半周回路,具体电路如图3。它由一个正buck电路和一个负buck电路组成。

图3:基于分离输出拓扑的半桥电路
 
可以看到换流回路仍然保持了低寄生电感设计,但是上管和下管的MOSFET不再直接低寄生电感连接,而是被输出管脚的寄生电感隔开,此处如果有必要,还可以外接更大的电感,如图4。这种分离型输出拓扑可以有效避免标准半桥的缺点。

图4:外接电感的分离输出拓扑半桥电路
 
屏蔽SiC-MOSFET体二极管
在输出电压正半周,如图4,上管MOSFET导通,等效电感Ls1充电,当上管关断后,续流回路有两个。回路1:通过外加SiC二极管D1,等效电感Ls1输出;回路2:通过下管MOSFET体二极管,等效电感Ls2输出。根据楞次定律,当上管MOSFET关断瞬间,输出电流下降,Ls1上电压突变为“左负右正”。而Ls2原来电流为零,电流的增加使得Ls2上产生的电位为“左正右负”。所以此时,回路1的导通压降要远远小于回路2的导通压降。续流电流流过回路1,下管体二极管被屏蔽。通过调节输出侧等效电感可以有效优化这个过程。续流过程通过外加的SiC二极管完成,这会有效抑制反向恢复电流,从而降低反向恢复损耗Erec和上管MOSFET的开通损耗,同时抑制EMI。
 
抑制桥臂直通和输出结电容影响
由于桥臂上下管不再是低寄生电感连接,当上管开通时,瞬间的dV/dt被输出侧等效电感吸收,下管上的dV/dt大大降低。所以下管被误触发造成桥臂直通的可能大大降低,这有助于驱动电路的设计,如果输出侧等效电感足够大,驱动电源甚至可以不使用负压驱动,使得驱动电源的设计大大简化。另外下管的输出结电容被屏蔽,这也可以降低上管的开通损耗,同时抑制EMI。
 
 
基于分离输出拓扑的应用
分离输出拓扑进一步拓展了SiC-MOSFET在高频应用中的优势,它的典型应用主要有以下两种。
 
两电平三相全桥电路
电路如图5,三相分离输出电路彼此独立,可以根据应用灵活配置。每相电路可以单独连接Shunt电阻做电流检测;每相电路单独集成了吸收电容,使得每个换流回路保持低寄生电感设计,支持<10ns的关断。这样的结构可以用于:
l         三相DC/AC逆变器四象限运行;
l         双向DC/DC变换器

图5:三相独立分离输出拓扑
 
德国Vincotech公司使用最新的flow0封装,结合免焊接管脚,成功开发了基于此拓扑的M90x系列模块,具体见图6,内部使用了80mohm的1200V SiC-MOSFET

图6:基于免焊接管脚的flow0封装
 
三电平MNPC拓扑电路
分离输出技术也可以用于混合电压三电平拓扑(MNPC),如图7。由于MNPC拓扑的换流回路主要在直流母线和直流母线中心点之间,图7的结构设计使得SiC-MOSFET体二极管被屏蔽的同时,换流回路仍然保持低寄生电感设计,从而保证了器件的高频切换。Vincotech公司基于此拓扑,已成功开发了M34x系列模块,内部集成了53mohm的1200V SiC-MOSFET。

图7:基于分离输出的三电平拓扑
 
性能和效率
针对M34x模块,根据实测的模块特性参数进行了逆变器效率仿真,如图8。可以看到,即使在开关频率64kHz下,逆变器效率仍然可以达到99%以上。如果开关频率为16kHz,最高效率可以达到99.5%。

       图8:M34x产品效率曲线
 
结论
分离输出拓扑结构可以很好的解决SiC-MOSFET体二极管反向恢复差的问题,进一步拓展了SiC-MOSFET在高频应用中的空间。
 
 
参考文献
[1] 陈道杰,Michael Frisch和Erno
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[3] Michael Frisch and Erno Temesi.
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Vincotech Germany and Hungary
 2009
[4] Michael Frisch and Erno Temesi.
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Vincotech Germany and Hungary
2009
 
www.vincotech.com
 

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