三菱電機(jī)正在開(kāi)發(fā)全新的額定3.3 kV/750 A的全碳化硅MOSFET器件，該器件采用最新的LV100封裝，特別適用于牽引應(yīng)用和模塊化變換器設(shè)計(jì)。本文將重點(diǎn)介紹這款全碳化硅器件以及說(shuō)明其在牽引應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)。
作者：三菱歐洲 Dr. Nils Soltau，Eugen Wiesner
三菱日本Kenji Hatori，Hitoshi Uemura
1.概要
基于碳化硅材料的功率器件被認(rèn)為是現(xiàn)代電力電子技術(shù)的重大革新。相較于傳統(tǒng)的硅基器件，碳化硅器件可實(shí)現(xiàn)更高效和更緊湊的變換器設(shè)計(jì)，以降低能耗和高成本材料的使用。
圖1 采用最新LV100封裝的3.3 kV/750 A全碳化硅器件
在過(guò)去的20年中，三菱電機(jī)開(kāi)發(fā)并商業(yè)化了不同電壓等級(jí)和用于各種應(yīng)用領(lǐng)域的碳化硅功率器件[1]。目前，得益于在機(jī)車(chē)牽引等應(yīng)用領(lǐng)域中對(duì)碳化硅器件多年的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)[2]，三菱電機(jī)開(kāi)發(fā)出全新的全碳化硅2單元MOSFET模塊FMF750DC-66A，其額定電壓為3.3 kV，額定電流為750 A，特別適用于高性能牽引變流器和柔性變換器的設(shè)計(jì)。
由于快速開(kāi)關(guān)瞬態(tài)特性，全碳化硅器件需要采用具有低雜散電感的合適封裝。如圖1所示，F(xiàn)MF750DC-66A采用了其所在電壓和功率等級(jí)的最先進(jìn)封裝技術(shù)：LV100封裝，這種封裝內(nèi)部雜散電感低于10 nH，且具有并聯(lián)連接簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。此外，該封裝的內(nèi)部設(shè)計(jì)確保了模塊內(nèi)部芯片之間的最佳電流分配。
2.與硅基器件對(duì)比
以下對(duì)FMF750DC-66A與2款硅基IGBT器件進(jìn)行比較，其中這2款I(lǐng)GBT同樣采用LV100封裝且電壓等級(jí)均為3.3 kV，其額定電流分別為450 A和600 A，具體型號(hào)分別為CM450DA-66X和CM600DA-66X。這3款模塊的靜態(tài)特性對(duì)比結(jié)果如圖2所示，很好地說(shuō)明了雙極型IGBT和單極型MOSFET之間的基本差異。應(yīng)該注意的是，所有器件特性都在其各自的最大結(jié)溫給出，其中IGBT器件的為150°C，而FMF750DC-66A的為175°C。由于MOSFET的線性的電流-電壓關(guān)系特性，其小電流下的導(dǎo)通壓降比雙極型IGBT的低得多，如圖2（a）所示。如圖2（b）所示，與IGBT模塊中的續(xù)流二極管相比，如果二極管（SBD）和MOSFET都導(dǎo)通反向電流（同步整流模式），F(xiàn)MF750DC-66A的反向壓降相對(duì)IGBT器件的也小得多。特別是在低負(fù)載條件下，單極性器件能夠顯著提高變換器效率，隨后的章節(jié)以牽引應(yīng)用為例對(duì)此進(jìn)行量化體現(xiàn)。
圖2 全碳化硅模塊與硅基模塊的靜態(tài)特性對(duì)比
全碳化硅器件的另一個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)是開(kāi)關(guān)損耗的降低，同樣這也是得益于單極性器件的特性。這類(lèi)器件不存在反向恢復(fù)和拖尾電流，從而大幅降低開(kāi)關(guān)損耗，并且允許相比硅基雙極性器件更高的開(kāi)關(guān)頻率。圖3給出了器件導(dǎo)通、關(guān)斷和反向恢復(fù)期間的功耗總和。與硅基IGBT相比，全碳化硅MOSFET模塊的開(kāi)關(guān)損耗降低了80~90％。
圖3 全碳化硅模塊與硅基模塊的開(kāi)關(guān)損耗對(duì)比
以下章節(jié)將量化并討論變換器設(shè)計(jì)在目標(biāo)應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)。
3.系統(tǒng)級(jí)優(yōu)勢(shì)
首個(gè)案例是直流母線電壓1500 V且開(kāi)關(guān)頻率為750 Hz的牽引變流器，對(duì)CM600DA-66X和FMF750DC-66A產(chǎn)生的損耗進(jìn)行了對(duì)比。圖4（a）描述了采用FMF 750DC-66A替換CM600DA-66X后所帶來(lái)的能耗改善，特別是在車(chē)輛部分負(fù)載條件下，節(jié)能潛力巨大。當(dāng)輸出電流在400 A以下時(shí)，全碳化硅器件的半導(dǎo)體功耗可以降低50％~80％（在相同的器件尺寸下），而在部分負(fù)載下時(shí)，運(yùn)行功耗可以進(jìn)一步降低。此外，由于FMF750DC-66A的效率更高，可運(yùn)行結(jié)溫更高，整流模式運(yùn)行時(shí)的最大功率也會(huì)增加。如圖4（b）所示，在750 Hz的典型開(kāi)關(guān)頻率下，基于FMF750DC-66A的變流器的最大輸出功率相對(duì)基于CM600DA-66X的增加了約60％。由于整流模式用于車(chē)輛減速時(shí)的能量回收，所以會(huì)有更多的能量被回收并反饋回電網(wǎng)，這同樣降低了傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)上的壓力。
圖4 FMF750DC-66A與CM600DA-66X的對(duì)比
第二個(gè)案例是在功率因數(shù)0.9下運(yùn)行的并網(wǎng)逆變器，并得出取決于輸出電流的最大開(kāi)關(guān)頻率，圖5中所示為考慮冷卻水溫度40°C的結(jié)果。因此，在相同的電流水平下，F(xiàn)MF750DC-66A的最大開(kāi)關(guān)頻率相比CM600DA-66X的可增加5~9倍。
圖5 不同開(kāi)關(guān)頻率下的最大輸出電流
較高的開(kāi)關(guān)頻率允許變換器制造商的網(wǎng)格濾波器設(shè)計(jì)中采用更高的諧振頻率，因此LCL濾波器中所需的電感和電容值會(huì)降低，既降低了濾波器的尺寸、成本和損耗，又實(shí)現(xiàn)了對(duì)變換器更為動(dòng)態(tài)的控制。此外，對(duì)于機(jī)器側(cè)逆變器或DC-DC變換器，更高的開(kāi)關(guān)頻率可以設(shè)計(jì)出更緊湊的高速驅(qū)動(dòng)器和中頻變換器[3、4]。
除開(kāi)關(guān)頻率增加外，圖4（b）已經(jīng)證明保持開(kāi)關(guān)頻率恒定，基于碳化硅器件的變換器可以輸出更高的功率。FMF750DC-66A采用與CM450DA-66X、CM600DA-66X相同的封裝，可實(shí)現(xiàn)更靈活的變換器設(shè)計(jì)和更為快速的進(jìn)度開(kāi)發(fā)，且具有與硅基逆變器類(lèi)似的配置。
除了在前面所討論的牽引和電網(wǎng)應(yīng)用，F(xiàn)MF750DC-66A還在諸多方面具有更多優(yōu)勢(shì)，圖6說(shuō)明了其在模塊、變換器和應(yīng)用等不同系統(tǒng)級(jí)別的優(yōu)勢(shì)。
圖6 FMF750DC-66A在不同系統(tǒng)級(jí)別的優(yōu)勢(shì)
4. 結(jié)論
基于最先進(jìn)的LV100封裝技術(shù)，三菱電機(jī)在3.3 kV電壓等級(jí)開(kāi)發(fā)了額定電流750 A的全碳化硅MOSFET模塊。
FMF750DC-66A通過(guò)提高開(kāi)關(guān)頻率和實(shí)現(xiàn)175°C最高結(jié)溫，有效提高了變換器的功率密度。此外，該模塊能夠?qū)崿F(xiàn)更高的系統(tǒng)效率，尤其是在部分負(fù)載條件下或整流模式運(yùn)行時(shí)，F(xiàn)MF750DC-66A可將變換器損耗降低50~80％。
FMF750DC-66A與同級(jí)別硅基器件采用相同的低雜散電感LV100封裝。對(duì)于變換器制造商來(lái)說(shuō)，這簡(jiǎn)化了從硅基器件轉(zhuǎn)換到全碳化硅器件的過(guò)程并提供了極大的靈活性。
參考文獻(xiàn)
[1] E. Thal and J. Yamada, 'SiC Power Modules for a Wide Application Range,' Bodo's Power Systems, Sep 2017.
[2] Mitsubishi Electric, Mitsubishi Electric Installs Railcar Traction System with All-SiC Power Modules on Shinkansen Bullet Trains, Press Release No. 2942, June 2015.
[3] L. Luise and others, Design Optimization and Testing of High-Performance Motors: Evaluating a Compromise Between Quality Design Development and Production Costs of a Halbach-Array PM Slotless Motor, IEEE Industry Applications Magazine, 2016.
[4] M. Claessen, D. Dujic, F. Canales, J. K. Steinke, P. Stefanutti and C. Vetterli, Traction transfomration - A power-electronic traction transformer, ABB review, 01/2012.
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