全碳化硅大功率直流電源關鍵技術研究

李志君 ，黃 波 ，黃小羽 ，鄭瓊林 ，李 虹 ，邵天驄

（1.北京交通大學電氣工程學院，北京 100044；2.泰科天潤半導體科技（北京）有限公司，北京 100192；3.國網北京市電力公司電纜分公司，北京 100020）

大功率直流電源作為一種二次電源，是電力電子產業的基礎產品，被廣泛應用于工業和消費的各行各業中。半導體器件的特性影響著大功率直流電源的性能，而傳統硅（Si）基半導體功率器件已經逐漸逼近了硅材料的極限[1-2]。近年來，為突破器件極限，以碳化硅 SiC（silicon carbide）和氮化鎵 GaN（gallium nitride）為代表的第三代半導體產業迅猛發展，成為世界各國爭相搶占的技術資源[3-5]。隨著全球半導體產業逐步向亞洲轉移，我國發展半導體產業的決心和支持力度空前加大，發展第三代功率半導體產業正當時[6]。

電力電子技術的發展，對大功率直流電源的功率等級、功率密度、模塊化和綠色化提出了更高的要求[7]。寬禁帶功率半導體器件的快速發展和商業化，為大功率直流電源領域帶來了技術革新的契機。一般而言，寬禁帶材料的能隙、擊穿電場、導熱系數、電子遷移率和熔點都顯著高于傳統Si材料[8]，這些特性使得基于寬禁帶材料的半導體功率器件能夠在比傳統Si器件高得多的電壓、開關頻率和溫度下工作[9-10]。其中SiC器件主要用于高壓、大功率（600 V以上，kW以上）應用，特別是大功率直流電源場合[2-11]。文獻[12]將SiC功率半導體器件用于Swiss Rectifier，獲得了高達99.3%的效率；文獻[13]設計搭建了一臺1.1 kW的SiC半橋功率因數校正變換器PFC（power factor corrector），其峰值效率達 99.2%；文獻[14]成功研制了1 kW的全SiC升壓型DC-DC變換器，開關頻率達800 kHz。雖然SiC器件可使電源獲得高效率、高頻率的優良性能，但在大功率直流電源領域，仍然有技術進步的空間。這主要是因為，相比于傳統Si器件，SiC器件高速開關引入了較大電磁干擾[15]且目前成本劣勢較大[16]。為成本考慮，選型時SiC器件安全工作裕量較傳統Si器件小時將導致全SiC電源的抗沖擊能力較全Si電源的差。因此，對于大功率直流電源領域，尚需要進一步平衡全SiC電源的性能和成本。

本文首先對比分析典型大功率直流電源的全SiC和全Si拓撲方案，揭示全SiC大功率直流電源在可靠性和電磁兼容性能方面的挑戰；其次，針對可靠性問題，研究并提出面向網壓變化和過流故障的大功率全SiC電源嵌入式保護策略，針對傳導干擾較大的問題，研究設計了兩級式電磁兼容濾波器；最后，實驗驗證所提嵌入式保護策略和電磁兼容濾波器的有效性，并針對功率密度、效率和成本等關鍵技術和指標，對全SiC拓撲方案和全Si拓撲方案進行對比實驗研究。本文將為SiC器件在大功率電能變換中的應用提供有效參考和堅實依據。

1 全SiC大功率直流電源的結構

大功率直流電源在需要大電流的行業，如電解、充電、電鍍、電加工和電力操作等具有廣泛的應用價值。本文以典型的電解場合為例，具體分析研究。

圖1為大功率整流器的外形（圖（a））和內部電源模塊（圖（b））。該電源采用模塊化結構，額定功率為200 kW，采用并聯結構，由10個電源模塊共同分擔電流，每個電源模塊額定功率為20 kW，將380 V/50 Hz交流電整流為110 V直流電，為負載電解槽供電。電源模塊是大功率直流電源的關鍵部件，其關鍵參數如表1所示。

圖1 大功率直流電源外形及其結構Fig.1 High-power DC power supply and its configuration

表1 功率模塊參數Tab.1 Parameters of the power module

2 大功率直流電源的全SiC和全Si電源模塊拓撲分析

大功率直流電源模塊的拓撲如圖2所示。其中，傳統全Si電源模塊如圖2（a）所示，采用準單級結構，輸入三相交流電，經過三相電感濾波器和三相整流橋后整流為正弦半波，正弦半波再經直流母線支撐電容濾波后，作為移相全橋DC/DC變換器的輸入，移相全橋DC/DC變換器將直流輸入轉換為所需的直流輸出。該拓撲中，全控器件采用硅功率器件IGBT，不可控器件采用硅器件快恢復/超快恢復二極管。考慮硅器件IGBT開關速度和開關損耗的影響，為確保體積和功耗的平衡，一般將全Si電源模塊的開關頻率限制在20 kHz以下。在全Si方案中，整流二極管采用了基于Si的快速恢復/超高速恢復二極管。由于變壓器漏感與結電容之間存在諧振，加上反向恢復特性，在二極管關斷時會產生電壓尖峰，因此整流二極管采用了1 200 V額定電壓，保留了一定的安全裕量。

圖2 大功率直流電源模塊的拓撲Fig.2 Topology of the power module used in highpower DC power supply

全SiC電源模塊的拓撲如圖2（b）所示，為2級結構，其中，第1級為四象限變換器4QC（fourquadrant converter），第2級為移相全橋變換器。

第1級的功率器件為1 200 V的SiC MOSFET，開關頻率30 kHz。在交流負載下，SiC MOSFET的通態壓降是線性的且無閾值，比硅二極管的低。2種方案特性對比如圖2（c）所示，可見，全相SiC的開關損耗顯著降低，便于高頻開關應用。因此，相比全Si方案的不控整流器，第1級的變換器效率得到了提高。

第2級移相全橋軟開關變換器的開關頻率與全Si方案中的全橋變換器類似，只有2個額外的二極管用于電壓箝位。第2級開關頻率為100 kHz，是整個拓撲中的最高工作頻率。由圖2（c）可見，與全Si方案相比，移相全橋的最高開關頻率增加至原來的5倍，從20 kHz增加到100 kHz。因此，全SiC方案在磁性元件利用率、輸入電流諧波和輸入功率因數等方面均得到了提升。

但是，全SiC電源模塊拓撲中有源功率器件較多，且較多功率器件運行在10 kHz以上，因此電磁干擾對全SiC電源模塊和大功率整流器的可靠性和安全運行將是一個挑戰。目前全SiC大功率直流電源的研究尚面臨以下3個問題：①在安全運行和可靠性方面，目前的市場渠道獲得的SiC器件的成本較高，采用全SiC器件設計大功率電源時，設計預留的電壓、電流裕度有限，在外界沖擊條件下容易超過器件的安全工作區；②在電磁兼容性能上，SiC功率器件的高耐壓和高開關速度帶來較大的dv/dt，增大了電源系統對外的傳導干擾；③在大功率直流電源的整體性能方面，雖然SiC器件性能整體優于Si器件，但考慮到較高的成本，SiC功率器件對整個直流電源系統性能，主要是功率密度和效率的改善作用尚缺乏實驗數據支撐。

3 全SiC電源模塊的嵌入式保護和電磁干擾濾波器

3.1 嵌入式保護

在安全運行和可靠性方面，考慮在外界沖擊條件下容易超過器件的安全工作區的情況，本文采用嵌入式保護策略加以應對。圖3展示了用于全SiC電源模塊的保護控制邏輯。其中，iabc和vabc代表輸入功率模塊的電流和電壓，IRMS代表額定電流有效值。輸入電流與2.5IRMS相比較；輸入電壓經過微分操作模塊，再與電壓變化速率閾值相比較，根據反復試錯得到的工程經驗，電壓變化速率閾值設置為10 V/μs。最后，將上述比較結果發送到或邏輯塊中，以生成最終的故障信號。

圖3 嵌入式保護策略框圖Fig.3 Block diagram of embedded protection strategy

為完整解釋在DSP保護策略實現方法，圖4給出了嵌入式保護策略的流程。輸入電壓和電流的測量是通過帶調理電路的采樣芯片來實現的。調理電路將測量到的輸入電壓和輸入電流送入DSP，而采樣頻率等于電源設備的開關頻率。當任意一相輸入電流瞬時值大于2.5IRMS時，DSP控制器發送過流故障信號，封鎖全SiC電源模塊中的所有功率開關器件；當電流瞬時值小于2.5IRMS時，DSP將計算輸入電壓的差分值dvk/dt。當網壓（即輸入電壓）變化率過大時，控制器將發送網壓波動標志位，封鎖PWM脈沖信號。綜上，無論是過流還是網壓干擾故障，都會觸發保護。采用嵌入式保護策略，實現了全SiC電源模塊在電網擾動下以及輸出接地故障情況下的安全可靠運行。

圖4 面向網壓擾動和過流故障的保護策略流程Fig.4 Flow chart of protection strategy for grid voltage disturbance and overcurrent fault

3.2 電磁干擾濾波器

在電磁兼容性能上，SiC功率器件的高耐壓和高開關速度帶來較大的dv/dt，增大了電源系統對外的傳導干擾，為了抑制SiC器件快速動作造成的傳導干擾，本文所述電源模塊嵌入了兩級式電磁兼容濾波器。圖5展示了用于全SiC電源模塊所用電磁兼容濾波器的位置和構成。如圖5（a）所示，在交流電壓和全SiC電源模塊中間，串入該電磁干擾濾波器，等效于在交流側電源與參考地（PE）之間形成一個低阻抗路徑。該電磁干擾濾波器可以減小經過雜散電容的高頻電流，降低電源的共模輸入電流。

圖5 全SiC大功率直流電源的兩級式電磁兼容濾波器Fig.5 Two-stage EMI filter used in all SiC high-power DC power supply

SiC器件開關過程中的dv/dt噪聲干擾較大，因此，為了保證濾波器有足夠的濾波效果，全SiC電源模塊采用兩級式結構，如圖5（b）所示。每一級都由1組共模電感和2組濾波電容構成。參數選型時，推薦兩級電磁兼容濾波器的轉折頻率分別取前后兩級開關頻率的1/10，以保證完全濾除第1級四象限變換器和第2級移相全橋變換器開關動作造成的對外傳導干擾。

4 實驗結果

以圖 2（a）和（b）中的拓撲為實驗原型，進行對比實驗研究。電源模塊的外觀如圖6所示。很明顯，全SiC電源模塊的體積比傳統的全Si電源模塊要小。

圖6 全SiC電源模塊和全Si電源模塊外觀對比Fig.6 Appearance comparison between all-SiC power module and all-Si counterpart

由于功率器件開關頻率的增加以及磁性元件的優化，全SiC電源模塊的重量為19 kg，僅為全Si電源模塊的40%，同樣，全SiC電源模塊的體積為19 L，僅為全Si電源模塊的32%。

4.1 全SiC電源模塊的應對短路故障

將本文研究的全SiC電源模塊進行了輸出短路故障測試，波形如圖7所示。圖中，iT為第2級移相全橋電路變壓器原邊電流，iSC為流過短路線路的電流。開始時iSC為0，電源模塊正常工作，短路線路無電流通過。一旦輸出端與線路短路，電流急劇增加，觸發過流保護。故障后約10.2 μs，通過保護封鎖PWM脈沖的形式，將iT降低為0。實驗結果表明，圖4所示嵌入式保護策略反應足夠迅速，足可用來保護電源模塊整體在輸出電壓短路過程中保護順利。

圖7 全SiC電源模塊在短路故障下的過流保護Fig.7 Overcurrent protection of all-SiC power module under short-circuit fault

為了驗證嵌入式保護策略在電網擾動下的有效性，將全SiC電源模塊置于惡劣的運行狀態，其輸入側的電網擾動是由附近電氣設備的切入和切出操作引起的，響應的波形如圖8所示，分別展示了無嵌入式保護和有嵌入式保護的2種情況，由于示波器的通道數量有限，僅展示了輸入電流ia、ib、ic和輸入電壓va信號。

圖8 全SiC電源模塊對網壓擾動故障的響應Fig.8 Response of all-SiC power module under grid disturbance fault

圖8（a）為不采用嵌入式保護策略的功率模塊波形。電源模塊的輸入電壓受到附近電氣設備的干擾，出現較大的dv/dt，如輸入電壓va波形。需要注意的是輸入電壓擾動的速度很快，擾動的瞬態時間接近采樣時間。輸入電壓的擾動導致輸入電流的浪涌尖峰，如ia、ib、ic波形，導致使用的SiC MOSFET功率模塊損壞。電網的擾動將危及全SiC電源模塊的安全可靠運行。

圖8（b）為采用嵌入式保護策略的功率模塊波形。全SiC電源模塊受到與圖8（a）中類似的電網擾動，由于輸入電壓上出現較大的dv/dt，此時，嵌入式保護會封鎖全部功率SiC MOSFET的PWM脈沖信號，因此，網壓擾動過程中，輸入電流并沒有出現浪涌尖峰，并安全地降低為0。

實驗結果驗證了本文嵌入式保護策略保證了在短路故障和電網擾動下的安全運行，提高了全SiC電源模塊的可靠性。

4.2 全SiC電源模塊的傳導干擾測試

由于SiC功率器件動作快，全SiC電源模塊獲得了優異的性能。然而，由于同樣的原因，相比全Si電源模塊，全SiC電源模塊的干擾更嚴重。實際應用中EMI測量要求較寬的頻率范圍，從10 kHz到30 MHz。全SiC電源模塊中SiC MOSFET開關頻率高于10 kHz，對大功率整流器的可靠性和安全運行提出了挑戰，其電磁干擾需要處理。

根據工業標準IEC 61000-4-2，為改進電磁兼容性，對全SiC電源模塊進行了電磁干擾測試，圖9為全SiC電源模塊的EMI測量結果。由圖9可見，整流器的傳導干擾未超過電磁兼容性規定的極限。

圖9 全SiC電源模塊的EMI測量值Fig.9 EMI measurement values of all-SiC power module

4.3 全SiC和全Si電源模塊的主要特性對比

在大功率直流電源的整體性能方面，考慮到SiC器件的成本，實驗驗證全SiC策略對直流電源系統性能（主要是功率密度和效率）的改善作用。目前，傳統電源模塊在高溫環境下的可靠性已成為制約大功率直流電源工作可靠性的重要因素。由于Si功率器件的限制，全Si電源模塊的最高工作溫度為50℃，而全SiC電源模塊可以實現更高的功率密度和更高的最高溫度。

全Si和全SiC電源模塊的對比如圖10所示。從圖10（a）可見，全SiC電源模塊的功率密度約是全Si電源模塊的3倍；SiC材料具有優異的高溫性能，最高工作溫度可提高到75℃。傳統基于IGBT的全Si電源模塊，由于其開關頻率低，單個模塊體積和重量大，會影響現場維護的便利性。全SiC方案非常適合于高頻、高功率密度和高溫的應用。功率器件采用SiC MOSFET，電源模塊將比全Si模塊具有更好的性能，便于現場維護。

圖10（b）為全SiC電源模塊與全Si電源模塊在固定負載下，輸出功率從5 kW到20 kW時的效率對比，效率曲線均隨輸出功率的增加呈上升趨勢；全SiC電源模塊在整個工作范圍內具有較高的效率，峰值效率為95.32%；全Si電源模塊的峰值效率為94.21%。全SiC電源模塊具有優異的效率性能，在額定工況下，效率提高了1.11%，節省功率大于200 W。

圖10 全Si和全SiC電源模塊的對比Fig.10 Comparison between all-Si and all-SiC power modules

圖10（c）為全SiC電源模塊與全Si電源模塊成本分析對比結果。為便于比較，圖中縱軸設置為2種電源模塊的成本占比，100%表示兩者的總成本。可見，全SiC電源模塊功率器件成本遠高于全Si電源模塊，但其磁性元件、電容、散熱系統和機殼成本均低于全Si電源模塊；全SiC電源模塊的總成本僅為全Si電源模塊的70%。相比于傳統全Si電源模塊，全SiC電源模塊在獲得效率和功率密度優勢的同時，也降低了系統成本。

5 結語

本文采用嵌入式保護策略和兩級式電磁兼容濾波器應對SiC器件抗沖擊能力差、電磁干擾大的問題，提高了全SiC大功率直流電源的可靠性；在此基礎上，對大功率直流電源的全SiC和全Si解決方案進行了實驗對比研究。相比于全Si電源模塊，全SiC電源模塊在整體成本降低30%的同時提高了功率密度，是全Si的3倍，提高了效率性能（額定運行時節約的功率大于200 W）。文中針對全SiC大功率直流電源關鍵技術的研究，為SiC半導體在大功率電能變換中的優異性能提供了堅實的依據，此外，增強了大功率直流電源的環境耐受力和維修方便性，并在一定程度上促進了第三代半導體行業的發展。