基于新型分離輸出拓撲結構的SiC-MOSFET功率模塊應用

林成棟，　潘三博，　陳道杰，　房亞軍

(1. 上海電機學院 電氣學院, 上海 200240; 2. Vincotech中國, 上海 200120)

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基于新型分離輸出拓撲結構的SiC-MOSFET功率模塊應用

林成棟1，潘三博1，陳道杰2，房亞軍1

(1. 上海電機學院 電氣學院, 上海 200240; 2. Vincotech中國, 上海 200120)

摘要:高頻化和高功率密度化是電力電子裝置發展的趨勢,其中最核心的技術就是電力電子器件的高頻化。隨著應用中開關頻率的進一步提高，SiC金屬氧化物半導體場效應晶體管(SiC-MOSFET)的體二極管正在成為瓶頸。SiC-MOSFET體二極管相對于SiC肖特基二極管，仍然偏大。介紹了一種新型的分離輸出拓撲結構，在開關狀態下，屏蔽體二極管的導通，降低反向恢復電流，從而降低SiC-MOSFET的開通損耗，同時抑制橋臂直通的風險。使用安捷倫功率器件分析儀B1505A對M34x功率模塊進行了性能和效率測試，用VincotechISE軟件對典型光伏逆變器的效率進行仿真分析。

關鍵詞:碳化硅金屬氧化物半導體場效應晶體管(SiC-MOSFET); 逆變器; 高開關頻率; 寄生電感

隨著電力電子技術的不斷發展，高頻化和高功率密度化已成為電力電子發展的主要研究方向和發展趨勢。在單相220V電網中小功率應用中，隨著600V電力電子器件的不斷更新換代,開關頻率已經從早期的幾kHz發展到現在的幾百kHz，甚至1MHz以上。這大大帶動了小功率開關電源和通信電源行業的發展。但反觀三相380V系統，高頻化的進展非常緩慢，通用的開關頻率仍然在20kHz以下。但隨著電力電子應用的不斷深化，三相系統高頻化漸漸被推上了日程，主要的需求來源于UPS、光伏逆變器、智能電網應用等。限制三相系統高頻化的因素主要是1.2kV的功率器件仍然以IGBT為主，IGBT關斷時的拖尾電流造成關斷損耗很難大幅降低，從而限制了開關頻率的進一步提升。隨著新的寬帶寬材料SiC器件的發布，這個問題從本質上得到了解決[1-3]。但隨著應用中開關頻率從幾十kHz提高到上百kHz，標準半橋電路中SiC-MOSFET的體二極管正在成為瓶頸。雖然SiC-MOSFET體二極管相對于Si-MOSFET，結電容已經大大降低，但是相對于SiC肖特基二極管，仍然偏大,這限制了開關頻率的進一步提升[4]。半橋拓撲結構被廣泛應用于電力電子應用中，其結構經一再優化改進，旨在提高系統效率和性能，盡管SiC功率器件有一系列優點，將其用于半橋拓撲中在高頻應用場合時，仍受很多缺點限制。基于SiC器件的新型拓撲結構的研究較少[5]。

1標準半橋電路缺點

標準的半橋電路拓撲如圖1所示。通過三個標準半橋電路組成的三相全橋電路是目前三相380V系統逆變器中應用最廣泛的電路。但該電路對于基于SiC-MOSFET器件的高頻應用，有如下幾個缺點：

圖1　基于SiC MOSFET的半橋電路Fig.1　Half-bridge circuit based on SiC-MOSFET

圖2　電路等效圖和換流過程Fig.2　Equivalent circuit and inversion process

(1) SiC-MOSFET體二極管的反向恢復電流。如果SiC-MOSFET的體二極管用于反向續流，體二極管的反向恢復電流將會增加開關損耗[6]，如圖2中的1回路。上管開通前，下管的體二極管在續流。當上管開通后，負載電流從下管體二極管切換到上管中。當負載電流完全切換后，輸出點電壓為DC+，體二極管承受反向電壓并進入反向恢復狀態。這會造成二極管的反向恢復損耗，同時導致上管的開通電流尖峰，從而增加上管的開通損耗以及系統的電磁干擾問題。雖然SiC-MOSFET的反向恢復電荷相對于Si-MOSFET改善了很多，但在大于50kHz的系統中，仍然是不可忽略的一部分。

(2) 輸出電容。SiC-MOSFET的輸出結電容相對來說比較大，在低寄生電感回路中，上管的開通電流一部分會流過下管的結電容，用于下管的關斷，這也會增加上管的開通損耗和電磁干擾[7-8]，如圖2中的2回路。

(3) 橋臂直通。SiC-MOSFET的開通速度非常快，在半橋結構中，會產生很大的電壓變化率dV/dt。輸出中心點電壓的快速變化在米勒電容上會產生一個位移電流，對下管的門極電容充電，見圖2中的3回路，這有可能造成下管的短時間誤導通，從而增加額外的損耗[9-10]。

2分離輸出拓撲介紹

分離輸出拓撲的出發點是根據換流回路把標準半橋電路分成兩個電路,一個為電壓正半周回路,一個為電壓負半周回路,具體電路如圖3所示。它由一個正Buck和一個負Buck電路組成。

圖3　基于分離輸出拓撲的半橋電路Fig.3　Half-bridge circuit based on separation　output topology

可以看到換流回路仍然保持了低寄生電感設計，但是上管和下管的MOSFET不再直接低寄生電感連接，而是被輸出管腳的寄生電感隔開，此處如果有必要，還可以外接更大的電感，如圖4所示。這種分離型輸出拓撲可以有效避免標準半橋的缺點。

圖4　外接電感的分離輸出拓撲半橋電路Fig.4　Half-bridge circuit based on separated output　topology with external inductance

2.1　屏蔽SiC-MOSFET體二極管

在輸出電壓正半周(見圖4)，上管MOSFET導通，等效電感Ls1充電，當上管關斷后，續流回路有兩個?；芈?： 通過外加SiC二極管D1，Ls1輸出；回路2： 通過下管MOSFET體二極管，等效電感Ls2輸出。根據楞次定律，當上管MOSFET關斷瞬間，輸出電流下降，Ls1上電壓突變為“左負右正”。而Ls2原來電流為零，電流的增加使得Ls2上產生的電位為“左正右負”。故此時回路1的導通壓降要遠遠小于回路2的導通壓降。續流電流流過回路1，下管體二極管被屏蔽。通過調節輸出側等效電感可以有效優化這個過程。續流過程通過外加的SiC二極管完成，這會有效抑制反向恢復電流，從而降低反向恢復損耗和上管MOSFET的開通損耗，同時抑制電磁干擾[11]。

2.2　抑制橋臂直通和輸出結電容影響

由于橋臂上下管不再是低寄生電感連接，當上管開通時，瞬間的電壓變化率dV/dt被輸出側等效電感吸收，下管上的dV/dt大大降低。因此，下管被誤觸發造成橋臂直通的可能大大降低，這有助于驅動電路的設計，如果輸出側等效電感足夠大，驅動電源甚至可以不使用負壓驅動，使得驅動電源的設計大大簡化。另外下管的輸出結電容被屏蔽，這也可以降低上管的開通損耗，同時抑制電磁干擾[12-13]。

3基于分離輸出拓撲的應用

分離輸出拓撲進一步拓展了SiC-MOSFET在高頻應用中的優勢，它的典型應用有以下兩種。

3.1　兩電平三相全橋電路

三相分離輸出電路彼此獨立，可以根據應用靈活配置電路，如圖5所示。每相電路可以單獨連接分流電阻做電流檢測；每相電路單獨集成了吸收電容，使得每個換流回路保持低寄生電感設計，支持小于 10ns 的關斷。這樣的結構可以用于：

(1) 三相DC/AC逆變器四象限運行；

(2) 雙向DC/DC變換器。

圖5　三相獨立分離輸出拓撲Fig.5　Three-phase independent separated output topology

德國Vincotech公司使用最新的flow0封裝，結合免焊接管腳，成功開發了基于此拓撲的M90x系列模塊，具體如圖6所示，內部使用了80mΩ的1.2kV SiC-MOSFET。

圖6　基于免焊接管腳的flow0封裝Fig.6　Flow0 package based on free welding pin

3.2　三電平MNPC拓撲電路

分離輸出技術也可以用于混合電壓三電平拓撲混合中性點鉗位(Mixed Neutral Point Clamped, MNPC)，如圖7所示。由于MNPC拓撲的換流回路主要在直流母線和直流母線中心點之間，圖7的結構設計使得SiC-MOSFET體二極管被屏蔽的同時，換流回路仍然保持低寄生電感設計，從而保證了器件的高頻切換。Vincotech公司基于此拓撲，已成功開發了M34x系列模塊，內部集成了 53mΩ 的1.2kV SiC-MOSFET[14-15]。

圖7　基于分離輸出的三電平拓撲Fig.7　Three level topology based on separated output

3.3　性能和效率

針對M34x模塊，實測的模塊開關損耗如圖8和圖9所示。

圖8　開關損耗和電流的關系Fig.8　Switching loss as a function of drain current

圖9　開關損耗和驅動電阻的關系Fig.9　Switching loss as a function of gate resistor

測試工具為安捷倫功率器件分析儀B1505A。測試溫度TJ=25/125℃，漏源電壓VDS=350V；柵源電壓VGS=+16/-5V；開通電阻Rgon=4Ω；關斷電阻Rgoff=4Ω。

測試工具為安捷倫功率器件分析儀B1505A。測試溫度TJ=25/125℃，漏源電壓VDS=350V，柵源電壓VGS=+16/-5V，漏極電流ID=44A。

利用Vincotech公司熱仿真軟件VincotechISE做了逆變器效率仿真，VincotechISE是一款集成了一系列仿真工具，用于幫助用戶選擇合適功率模塊的功率電路仿真軟件，該仿真軟件所使用的功率器件的損耗參數都以B1505A實測值為準，如圖10所示。開關頻率從2kHz到128kHz，以2為倍數增加，可以看到，即使在開關頻率 64kHz 下，逆變器效率仍然可以達到99%以上。如果開關頻率為16kHz，最高效率可以達到99.5%。

圖10　M34x模塊逆變器工作下效率曲線　(VDC=700V, PF=1)Fig.10　Efficiency curve of inverters with M34x modules

4結語

由仿真結果可看出，使用分離輸出拓撲的模塊逆變器在開關頻率為64kHz時，效率仍能達到99%以上，該拓撲很好地解決了SiC-MOSFET體二極管反向恢復差的問題，大大提高了系統的效率，進一步拓展了SiC-MOSFET在高頻應用中的空間。而且該拓撲大大降低了上下管直通的可能性，使得系統的驅動設計得以簡化，實際應用中有較大意義。

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Application of SiC MOSFET-Based Power ModulesUsing Split Output Topology

LINChengdong1，PANSanbo1,CHENDaojie2,FANGYajun1

(1. School of Electrical Engineering, Shanghai Dianji University, Shanghai 200240, China;

2. Vincotech China, Shanghai 200120, China)

Abstract:High switching frequency and high power density are a trend in the power electronics development, especially as new wide band-gap components are released. With the increase of switching frequency, the body diode of SiC MOSFET becomes a bottleneck. The body diode’s reverse recovery charge of SiC MOSFET is lower than that of Si MOSFET, but still not as low as SiC Schottky diodes. The split output topology provides an additional tool to reduce turn-on losses and boost cross-conduction suppression. The performance and efficiency curves of power module M34x are measured with Agilent’s power device analyzer B1505A. With the practical curve measured from the B1505A, efficiency simulation of an inverter based on the M34x power modules is done by using the simulation software VincotechISE.

Key words:SiC metal oxide semiconductor field effect transistor(MOSFET); inverter; high switching frequency; parasitic inductance

文獻標志碼:A

中圖分類號:TM303

文章編號2095 - 0020(2015)01 -0024 - 05

作者簡介：林成棟(1991-)，男，碩士生，主要研究方向為電力電子技術光伏逆變器，E-mail: 982203968@qq.com

基金項目：國家自然科學 資助(U1204515)；上海電機學院科研項目資助(12C107)

收稿日期：2014 - 08 - 10