文章來(lái)源：伍 豐1 ,2 ，張靈芝1 ,2 ，蔣逢靈1 ,2 (1.湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院；2.湖南省高鐵運(yùn)行安全保障工程技術(shù)研究中心)

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30kW 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。

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(lái)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)通阻抗更小(硅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。

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(guó)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(guó)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(guó)產(chǎn)SiC功率器件生產(chǎn)廠家有：忱芯科技、中國(guó)中車、愛仕特、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,關(guān)于功率損耗計(jì)算方法的研究,文獻(xiàn)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)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；UccoT(vj)代 表結(jié)溫為Tvj時(shí)功率器件的開啟電壓；rT(vj)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：

1.2.2 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 。

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。

（5）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(lái)計(jì)算。

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U norm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。

Pall=Pcond=+Pon+Poff （8）

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 DCDC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1200V,FF200R12KE4最大連續(xù)直流電流為IC=200A,FF6MR12KM1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。

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DCDC變換器在fsw=5kHz ~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DCDC工作參數(shù)為輸入,建立以SiC(FF6MR12KM1)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(zhǎng)緩慢,說(shuō)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。

圖6 工作波形圖

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(yǔ)

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DCDC變換器的功率效率和降低DCDC變換器的體積。

審核編輯：湯梓紅