伍豐 張靈芝 蔣逢靈

摘要：針對(duì)Boost變換器中SiC（碳化硅）與IGBT模塊熱損耗問題，給出了Boost電路中功率模塊熱損耗的估算方法，并提供了具體的估算公式。以30 kW DC/DC變換器為研究對(duì)象，對(duì)功率模塊在不同工作頻率下的損耗進(jìn)行了理論計(jì)算、PLECS仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證對(duì)比分析。PLECS仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證的結(jié)果不僅證明了估算公式的正確性，還直觀的體現(xiàn)了SiC和IGBT兩類模塊在不同開關(guān)頻率下工作的熱損耗趨勢(shì)。從文中可以看出，使用SiC替代IGBT可以顯著地提高變換器的工作頻率和功率密度。

關(guān)鍵詞： Boost變換器；SiC模塊；IGBT模塊；熱損耗

*基金項(xiàng)目：湖南省教育廳科學(xué)研究?jī)?yōu)秀青年項(xiàng)目（20B393）

0引言

功率模塊相對(duì)于小功率的分立器件，具有更大的體積和功率，因此常用于大功率電能變換器領(lǐng)域，在大功率 DC/DC 變換器行業(yè)，雖然 Si IGBT 模塊仍然占據(jù)了統(tǒng)治地位，但隨著碳化硅（SiC）模塊技術(shù)和工藝的逐步成熟，SiC模塊將會(huì)逐步替換原來的 Si IGBT;原因在于SiC模塊具有寬禁帶、耐高溫、耐高壓和低損耗的優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)行業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，SiC模塊的關(guān)斷損耗比 Si IGBT 減小88%，開通損害降低34%，單位面積的導(dǎo)通阻抗更?。ü?IGBT 的1/3～1/5），且具有更快開關(guān)速度（硅 IGBT 的5～20倍），同時(shí)還具備高溫工作能力（SiC器件的電路可在500℃下穩(wěn)定工作），SIC 模塊與其他主要類型功率器件參數(shù)對(duì)比表如表1所示[1]。

從表1中的數(shù)據(jù)可以看出，SiC禁帶寬度、擊穿場(chǎng)強(qiáng)、熱導(dǎo)率等性能都遠(yuǎn)強(qiáng)于 Si IGBT 。目前國際上大功率SiC模塊生產(chǎn)廠家主要有科銳、羅姆、英飛凌、三菱電機(jī)株式會(huì)社、意法半導(dǎo)體等，市場(chǎng)占有率最大的科銳公司其量產(chǎn)模組中單管已經(jīng)達(dá)到了1200 V/765 A。我國也涌現(xiàn)出一批有實(shí)力的廠商，從芯片的設(shè)計(jì)、研發(fā)到制造和封裝測(cè)試，正在形成一個(gè)完整的產(chǎn)業(yè)鏈，代表性的國產(chǎn)SiC功率器件生產(chǎn)廠家有：忱芯科技、中國中車、深圳基本半導(dǎo)體有限公司等，其中忱芯科技最大功率SiC模組已經(jīng)達(dá)到了1700 V/700 A，可以看出，目前SiC單個(gè)模塊的功率等級(jí)已經(jīng)接近或者達(dá)到了 IGBT 模塊的功率等級(jí)，在大功率電能變換領(lǐng)域，SiC模塊替代 IGBT 模塊成為了可能，因此對(duì)SiC與 IGBT 模塊開展熱損耗的對(duì)比研究很有現(xiàn)實(shí)意義。

針對(duì)SiC模塊的應(yīng)用研究，目前主要集中在動(dòng)態(tài)性能、功率損耗計(jì)算和不同器件的對(duì)比分析[2-3]，關(guān)于功率損耗計(jì)算方法的研究，文獻(xiàn)[4]給出了SiC的開關(guān)損耗模型和計(jì)算公式，但損耗的具體計(jì)算需要依賴器件的3D 數(shù)據(jù)表，該數(shù)據(jù)表的獲取存在難度；在SiC模塊的性能參數(shù)對(duì)比研究方面，文獻(xiàn)[5]通過仿真的方式對(duì)SiC與 Si MOS 進(jìn)行了熱損耗對(duì)比研究，但缺乏試驗(yàn)驗(yàn)證。本文在以上研究的基礎(chǔ)上，對(duì)SiC和 IGBT 器件在 Boost 變換器電路應(yīng)用中的熱損耗進(jìn)行對(duì)比研究，力求提供具有實(shí)用價(jià)值的SiC和 IGBT 模塊熱損耗計(jì)算公式，再將這兩類模塊的熱損耗差異進(jìn)行對(duì)比，直觀的體現(xiàn)出這兩類模塊的熱損耗差異，最后進(jìn)行仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 Boost變換器與熱損耗估算

1.1熱損耗估算結(jié)果對(duì)比分析

功率器件的熱損耗主要分為導(dǎo)通損耗、開通損耗、關(guān)斷損耗和分布電容引起的附加損耗，其中主要損耗為導(dǎo)通損耗、開通損耗、關(guān)斷損耗和反向恢復(fù)損耗，以下對(duì)這4種損耗的計(jì)算方法進(jìn)行研究。

1.2.1導(dǎo)通損耗估算方法

由于SiC和 IGBT 導(dǎo)通過程中存在壓降，因此兩種器件均存在導(dǎo)通損耗，穩(wěn)態(tài)時(shí)導(dǎo)通損耗可用式（1）計(jì)算。

式中Econd代表導(dǎo)通過程中產(chǎn)生的熱量；Uceo（Tvj）代表結(jié)溫為Tvj時(shí)功率器件的開啟電壓； r（Tvj）代表結(jié)溫為Tvj時(shí)功率器件的等效電阻； IC 為功率器件中的電流。Boost 電路中，VT 器件管和輸出二極管 VD 均存在導(dǎo)通損耗。

根據(jù) Boost 電路的工作規(guī)律，VT 管在 D * T 的時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通，其中 D 為占空比，T 為周期 ，VT 管導(dǎo)通損耗功率Econd.vt為：

1個(gè)周期內(nèi)輸出二極管 VD 在 VT 關(guān)斷的過程中導(dǎo)通，因此輸出二極管導(dǎo)通損耗Pcond.vd可以用式（3）計(jì)算：

1.2.2開通損耗估算方法

開通損耗 ton 是指功率器件從關(guān)閉狀態(tài)到導(dǎo)通的過渡過程中的電流上升到正常值的10%開始，到功率器件兩端的電壓下降到標(biāo)稱值的2%是結(jié)束，將這段持續(xù)的時(shí)間成為 ton，在 ton 的持續(xù)時(shí)間內(nèi)所消耗的能量為開通損耗功率Pon [6]。

開通損耗平均功率Pon由下面的公式定義：

由式（4）可知，Eon 的大小與開關(guān)管中的電流和電壓有關(guān)，除此之外，還與功率器件的節(jié)溫有關(guān)，在實(shí)際應(yīng)用中，由于難以獲得功率器件精確的數(shù)學(xué)模型，因此常用試驗(yàn)和估算的方法，根據(jù)器件手冊(cè)提供的數(shù)據(jù)和曲線，利用插值的方法，可以用式（5）估算。

式中fsw為功率器件的開關(guān)頻率，Eon（Inorm ， Unorm ， TVJ）為手冊(cè)中在節(jié)溫為 TVJ 時(shí)，在特定電流Inorm和電壓Unorm下工作時(shí)給出的開通損耗，Iin和Uo為 Boost 電路的輸入電流和輸出電壓，在 Boost 電路中，每個(gè)周期內(nèi) VT 存在一次開通損耗。

1.2.3關(guān)斷損耗估算方法

關(guān)斷損耗Poff是指功率器件從導(dǎo)通狀態(tài)到關(guān)斷的過渡過程中，功率器件兩端電壓上升到正常值的10%開始，到功率器件中的電流下降到標(biāo)稱值的2%時(shí)結(jié)束，將這段時(shí)間成為 toff，在 toff 的持續(xù)時(shí)間內(nèi)所消耗的能量可以用式（6）來計(jì)算[6]。

與開通損耗相類似，Eoff的大小與開關(guān)管中的電流、電壓有關(guān)和節(jié)溫有關(guān)，在實(shí)際應(yīng)用中，同樣難以獲得功率器件精確的數(shù)學(xué)模型，因此常用采用試驗(yàn)和估算的方法，根據(jù)器件手冊(cè)提供的數(shù)據(jù)和曲線，利用差值的方法，可式（7）估算：

式中Eoff（Inorm ， Unorm ， TVJ）為手冊(cè)中在節(jié)溫為 TVJ 時(shí)，在特定電流Inorm和電壓Unorm下工作時(shí)給出的通損耗，Iin和Uo為 Boost 電路的輸入電流和輸出電壓，在 Boost 電路中，每個(gè)周期內(nèi) VT 存在一次關(guān)斷損耗。

1.2.4 SIC和IGBT器件的總損耗估算結(jié)果對(duì)比

如果不計(jì)分布電容、分布電感引起的附加損耗，則功率器件的總損耗功率為導(dǎo)通損耗Pcond、開通損耗Pon和關(guān)斷損耗Poff三者之和。

通過器件手冊(cè)可知，IGBT 模塊中二極管的開關(guān)損耗主要為反向恢復(fù)損耗Prec，而SiC模塊中的二極管損耗非常小，可以忽略不計(jì)。

為了便于計(jì)算和對(duì)方分析，以氫燃料汽車車中廣泛使用30 kW DC＼DC 變換器為研究對(duì)象，其主要參數(shù)如表2所示。

根據(jù)表2中的參數(shù)，功率器件使用 IGBT 作為功率模塊時(shí)，選用英飛凌公司的 FF200R12KE4器件，使用SiC作為功率模塊時(shí)，選用英飛凌的 FF6MR12KM1功率器件，二者耐壓等級(jí)均為1200 V，F(xiàn)F200R12KE4最大連續(xù)直流電流為 IC=200 A，F(xiàn)F6MR12KM1最大連續(xù)直流電流為 Id=250 A；二者的最大節(jié)溫均為175℃，假定模塊工作時(shí)實(shí)際節(jié)溫為 TVJ=125℃，使用功率模塊的體二極管作為輸出二極管，通過手冊(cè)查出兩種器件在節(jié)溫125℃的參數(shù)如表3所示[7-8]。

通過 Boost 電路占空比計(jì)算公式可得額定點(diǎn)的占空比 D ≈0.5；為了直觀的體現(xiàn)這兩種器件熱損耗的差異，編寫Matlab腳本程序，計(jì)算 DC＼DC 變換器在fsw=5 kHz ～ fsw=50 kHz工作范圍內(nèi)，將上表中得數(shù)據(jù)帶入相應(yīng)的計(jì)算公式，得到如下圖所示的對(duì)比曲線。

2仿真結(jié)果對(duì)比分析

以表2中 DC＼DC 工作參數(shù)為輸入，建立以SiC（F F 6 M R 12 K M 1）和 IGBT（FF200R12KE4）模塊為功率器件的兩種仿真模型，通過 PLECS 軟件對(duì)不同開關(guān)頻率下功率器件的損耗和結(jié)溫進(jìn)行對(duì)比仿真，從圖4左上角熱損耗功率仿真對(duì)比圖可以看出，頻率在5 kHz 及以下時(shí)，由于功率模塊的損耗主要為導(dǎo)通損耗，因此SiC模塊和 IGBT 模塊的熱損耗比較接近，但是工作開關(guān)隨著頻率的增加，IGBT 模塊的熱損耗快速加大，SiC模塊的熱損耗緩慢增加，與此相對(duì)應(yīng)，從圖4右上角的結(jié)溫對(duì)比圖可以看出，隨著頻率的增加，IGBT 模塊的結(jié)溫迅速增加，SiC模塊的結(jié)溫增長緩慢，說明這兩類器件中，SiC器件替代 IGBT 模塊，更有助于提供工作頻率。

從圖4的仿真值與理論計(jì)算值的對(duì)比圖可以看出，仿真值與計(jì)算值的計(jì)算結(jié)果比較接近，二者之間的差異在20%的范圍以內(nèi)，證明的了理論計(jì)算公式的正確性和準(zhǔn)確性。

3試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1試驗(yàn)平臺(tái)

為了驗(yàn)證了前文熱損耗估算和仿真結(jié)果的正確性，分別使用SiC（FF6MR12KM1）和 IGBT（FF200R12KE4）兩種模塊在30 kW 的試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)平臺(tái)有 Boost 升壓變換器、直流可以電源、電阻負(fù)載四部分組成。30 kW 試驗(yàn)電源參數(shù)如表2所示。

3.2試驗(yàn)結(jié)果分析

通道4為功率模塊兩端的電壓，通道2為 BOOST變換器的輸入電流。

通過測(cè)量功率模塊的輸入功率和輸出功率計(jì)算模塊在不同工作頻率下的熱損耗，當(dāng)使用 IGBT 模塊工作時(shí)，分別測(cè)量工作頻率為 5、10 和 15 kHz 時(shí)的熱損耗，當(dāng)使用SiC模塊時(shí)，分別測(cè)量 5、10、15、20 和 50 kHz 工作頻率時(shí)的熱損耗；將所測(cè)得的實(shí)際值連接成直線，實(shí)際值、計(jì)算值和仿真值對(duì)比如圖 7 所示。

從圖 7 可以看出，試驗(yàn)結(jié)果與仿真、理論估算的結(jié)果相吻合，工作頻率較低時(shí)，試驗(yàn)值比估算值偏小，工作頻率較高時(shí)，試驗(yàn)值比仿真偏大，造成這種現(xiàn)象的主要原因在于工作頻率較低時(shí)，熱損耗小，功率模塊的節(jié)溫低，隨著頻率的增加，熱損耗逐漸增加，功率器件的節(jié)溫也不斷升高，相同條件下，節(jié)溫越高，損耗就越大，而估算公式的計(jì)算沒有考慮節(jié)溫的變化。

4結(jié)束語

本文首先介紹了 SIC 模塊和 IGBT 兩種模塊基本知識(shí)，在對(duì) Boost 電路工作原理進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究了 Boost 電路中功率模塊熱損耗的計(jì)算方法，并給出了具體的計(jì)算公式；以30 kW DC/ DC 變換器為參數(shù)輸入，對(duì)使用 SIC 和 IGBT 兩種模塊作為功率器件，在不同工作頻率下?lián)p耗進(jìn)行理論計(jì)算、PLESE 仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證對(duì)比，理論計(jì)算、仿真和試驗(yàn)結(jié)果之間的差值在20%以內(nèi)，證明了理論計(jì)算公式的正確性，通過兩種模塊在不同頻率下的熱損耗對(duì)比可以看出，SiC器件在高頻下熱損耗明顯顯著低于 IGBT 器件，從而可以大大提高 DC＼DC 變換器的功率效率和降低 DC＼DC 變換器的體積。

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