第二代SiC碳化硅MOSFET在儲能變流器PCS中的應用

 

IGBT芯片技術不斷發展，但是從一代芯片到下一代芯片獲得的改進幅度越來越小。這表明IGBT每一代新芯片都越來越接近材料本身的物理極限。SiC MOSFET寬禁帶半導體提供了實現半導體總功率損耗的顯著降低的可能性。使用SiC MOSFET可以降低開關損耗，從而提高開關頻率。進一步的，可以優化濾波器組件，相應的損耗會下降，從而全面減少系統損耗。通過采用低電感SiC MOSFET功率模塊，與同樣封裝的Si IGBT模塊相比，功率損耗可以降低約70%左右，可以將開關頻率提5倍（實現顯著的濾波器優化），同時保持最高結溫低于最大規定值。

 

為了保持電力電子系統競爭優勢，同時也為了使最終用戶獲得經濟效益，一定程度的效率和緊湊性成為每一種電力電子應用功率轉換應用的優勢所在。隨著IGBT技術到達發展瓶頸，加上SiC MOSFET絕對成本持續下降，使用SiC MOSFET替代升級IGBT已經成為各類型電力電子應用的主流趨勢。

 

適用于儲能變流器PCS的國產高可靠性碳化硅(SiC)MOSFET-傾佳電子（Changer Tech）專業分銷

 

傾佳電子（Changer Tech）致力于國產碳化硅（SiC）MOSFET功率器件在電力電子市場的推廣！Changer Tech-Authorized Distributor of BASiC Semiconductor which committed to the promotion of BASiC™ silicon carbide (SiC) MOSFET power devices in the power electronics market!

 

國產SiC碳化硅MOSFET功率器件可靠性及一致性如何確保？

電力電子系統研發制造商一般需要碳化硅MOSFET功率器件供應商提供可靠性測試報告的原始數據和器件封裝的FT數據。

SiC碳化硅MOSFET可靠性報告原始數據主要來自以下可靠性測試環節的測試前后的數據對比，通過對齊可靠性報告原始數據測試前后漂移量的對比，從而反映器件的可靠性控制標準及真實的可靠性裕量。SiC碳化硅MOSFET可靠性報告原始數據主要包括以下數據:

SiC碳化硅MOSFET高溫反偏

High Temperature Reverse Bias HTRB Tj=175℃

VDS=100%BV

SiC碳化硅MOSFET高溫柵偏（正壓）

High Temperature Gate Bias（+） HTGB（+） Tj=175℃

VGS=22V

SiC碳化硅MOSFET高溫柵偏（負壓）

High Temperature Gate Bias（-） HTGB（-） Tj=175℃

VGS=-8V

SiC碳化硅MOSFET高壓高濕高溫反偏

High Voltage, High Humidity, High Temp. Reverse Bias HV-H3TRB Ta=85℃

RH=85%

VDS=80%BV

SiC碳化硅MOSFET高壓蒸煮

Autoclave AC Ta=121℃

RH=100%

15psig

SiC碳化硅MOSFET溫度循環

Temperature Cycling TC -55℃ to 150℃

SiC碳化硅MOSFET間歇工作壽命

Intermittent Operational Life IOL △Tj≥100℃

Ton=2min

Toff=2min

FT數據來自碳化硅MOSFET功率器件FT測試(Final Test，也稱為FT)是對已制造完成的碳化硅MOSFET功率器件進行結構及電氣功能確認，以保證碳化硅MOSFET功率器件符合系統的需求。

通過分析碳化硅MOSFET功率器件FT數據的關鍵數據（比如V(BR)DSS，VGS(th)，RDS(on)，

IDSS）的正態分布，可以定性碳化硅MOSFET功率器件材料及制程的穩定性，這些數據的定性對電力電子系統設計及大批量制造的穩定性也非常關鍵。

 

基本™（BASiC Semiconductor）第二代SiC碳化硅MOSFET兩大主要特色：

1.出類拔萃的可靠性：相對競品較為充足的設計余量來確保大規模制造時的器件可靠性。

基本™（BASiC Semiconductor）第二代SiC碳化硅MOSFET 1200V系列擊穿電壓BV值實測在1700V左右，高于市面主流競品，擊穿電壓BV設計余量可以抵御碳化硅襯底外延材料及晶圓流片制程的擺動，能夠確保大批量制造時的器件可靠性，這是基本™（BASiC Semiconductor）第二代SiC碳化硅MOSFET最關鍵的品質. 基本™（BASiC Semiconductor）第二代SiC碳化硅MOSFET雪崩耐量裕量相對較高，也增強了在電力電子系統應用中的可靠性。

2.可圈可點的器件性能：同規格較小的Crss帶來出色的開關性能。

基本™（BASiC Semiconductor）第二代SiC碳化硅MOSFET反向傳輸電容Crss 在市面主流競品中是比較小的，帶來關斷損耗Eoff也是市面主流產品中非常出色的，優于部分海外競品，特別適用于LLC應用，典型應用如充電樁電源模塊后級DC-DC應用。

 

Basic™ (BASiC Semiconductor) second generation SiC silicon carbide MOSFET has two main features:

1. Outstanding reliability: Compared with competing products, there is sufficient design margin to ensure device reliability during mass manufacturing.

The breakdown voltage BV value of BASiC Semiconductor's second-generation SiC silicon carbide MOSFET 1200V series is measured to be around 1700V, which is higher than mainstream competing products on the market. The breakdown voltage BV design margin can withstand silicon carbide substrate epitaxial materials and wafers. The swing of the tape-out process can ensure device reliability during mass manufacturing, which is the most critical quality of BASiC Semiconductor’s second-generation SiC silicon carbide MOSFET. BASiC Semiconductor’s second-generation SiC silicon carbide MOSFET The relatively high avalanche tolerance margin also enhances reliability in power electronic system applications.

2. Remarkable device performance: Smaller Crss with the same specifications brings excellent switching performance.

BASiC Semiconductor's second-generation SiC silicon carbide MOSFET reverse transmission capacitor Crss is relatively small among mainstream competing products on the market, and its turn-off loss Eoff is also very good among mainstream products on the market, better than some overseas competing products. , especially suitable for LLC applications, typical applications such as charging pile power module downstream DC-DC applications.

 

Ciss：輸入電容（Ciss＝Cgd＋Cgs） ⇒柵極-漏極和柵極-源極電容之和：它影響延遲時間；Ciss越大，延遲時間越長。基本™（BASiC Semiconductor）第二代SiC碳化硅MOSFET 優于主流競品。

Crss：反向傳輸電容（Crss＝Cgd） ⇒柵極-漏極電容：Crss越小，漏極電流上升特性越好，這有利于MOSFET的損耗，在開關過程中對切換時間起決定作用，高速驅動需要低Crss。

Coss：輸出電容（Coss＝Cgd＋Cds）⇒柵極-漏極和漏極-源極電容之和：它影響關斷特性和輕載時的損耗。如果Coss較大，關斷dv／dt減小，這有利于噪聲。但輕載時的損耗增加。

 

基本™B2M第二代碳化硅MOSFET器件主要特色：

• 比導通電阻降低40%左右

• Qg降低了60%左右

• 開關損耗降低了約30%

• 降低Coss參數，更適合軟開關

• 降低Crss，及提高Ciss/Crss比值,降低器件在串擾行為下誤導通風險

• 最大工作結溫175℃• HTRB、 HTGB+、 HTGB-可靠性按結溫Tj=175℃通過測試

• 優化柵氧工藝，提高可靠性

• 高可靠性鈍化工藝

• 優化終端環設計，降低高溫漏電流

• AEC-Q101

 

傾傾佳電子（Changer Tech）專業分銷的基本™第二代碳化硅SiC MOSFET主要有B2M160120H，B2M160120Z，B2M160120R，B2M080120H,B2M080120Z，B2M080120R，B2M018120H，B2M018120Z，B2M020120Y，B2M065120H，B2M065120Z，B2M065120R，B2M040120H，B2M040120Z，B2M040120R，B2M032120Y，B2M030120Z，B2M030120H，BM030120R，B2M650170H， B2M650170R，B2M009120Y。適用大功率電力電子裝置的SiC MOSFET模塊，半橋SiC MOSFET模塊，ANPC三電平碳化硅MOSFET模塊，T型三電平模塊，MPPT BOOST SiC MOSFET模塊。

B2M032120Y國產替代英飛凌IMZA120R030M1H，安森美NTH4L030N120M3S以及C3M0032120K。

B2M040120Z國產替代英飛凌IMZA120R040M1H，安森美NTH4L040N120M3S，NTH4L040N120SC1以及C3M0040120K，意法SCT040W120G3-4AG。

B2M020120Y國產替代英飛凌IMZA120R020M1H，安森美NTH4L020N120SC1，NTH4L022N120M3S以及C3M0021120K，意法SCT015W120G3-4AG。

B2M065120H國產代替安森美NTHL070N120M3S。

B2M065120Z國產代替英飛凌IMZ120R060M1H，安森美NVH4L070N120M3S，C3M0075120K-A，意法SCT070W120G3-4AG。

B2M160120Z國產代替英飛凌AIMZHN120R160M1T，AIMZH120R160M1T

B2M080120Z國產代替英飛凌AIMZHN120R080M1T，AIMZH120R080M1T

B2M080120R國產代替英飛凌IMBG120R078M2H

B2M040120Z國產替代英飛凌AIMZHN120R040M1T，AIMZH120R040M1T

B2M040120R國產替代英飛凌IMBG120R040M2H

B2M018120R國產替代英飛凌IMBG120R022M2H

B2M018120Z國產替代英飛凌AIMZH120R020M1T，AIMZH120R020M1T

B2M065120Z國產替代英飛凌AIMZHN120R060M1T，AIMZH120R060M1T

 

 

儲能變流器（PCS），又稱雙向儲能逆變器，是儲能系統與電網中間實現電能雙向流動的核心部件，用作控制電池的充電和放電過程，進行交直流的變換。在電池儲能系統中成本約占比15%-20%，是電池儲能系統的關鍵核心環節。

PCS可分為5類=光伏3類（集中、組串、微逆）+儲能2類（儲能變流器、一體機）, 以及模塊化儲能變流器、工商業儲能一體機.

SiC碳化硅器件具備耐高壓、耐高溫、體積小、響應速度快等特點，使得PCS在額定功率工況下，平均效率提升1%+，模塊功率密度整體提升25%+。

國內大儲領域儲能變流器PCS的技術路線主要有五種：分別是集中式、組串式、組串式+DCDC、集散式、中高壓級聯。

集中式PCS是國內大儲項目應用最多的技術路線，市場占比整體突破了90%，且架構簡單、施工安裝及維護成本低。組串式則可以實現一對一簇級管理，最大程度解決環流問題，提高直流側容量利用率；而且可以實現模塊化設計、靈活堆疊，比較好的適配國內比較火的工商業儲能復雜工況。

組串式（兩級變換）PCS在單級變換組串式基礎上集成DC/DC變換器，直流系統適應強。但其兩級變換系統復雜，系統效率低于85%，且成本較高；集散式PCS采用集中式PCS+DCDC變換器，實現直流側解耦，緩解并聯環流帶來的問題，主要應用于國外市場；中高壓級聯PCS系統無需變壓器，效率可達到88%+，目前市場占有率低，35kV直掛項目尚處于示范性階段。

 

使用碳化硅（SiC）功率器件的儲能變流器（PCS）具有以下幾方面的優勢：

 

高效率：SiC功率器件具有更低的導通損耗和開關損耗，這使得儲能變流器的整體效率顯著提高。這在高頻率操作時尤為顯著，因為SiC器件能夠更有效地管理高頻開關，從而減少能量損失。

 

高溫性能：SiC材料具有更高的熱導率和耐高溫特性，這意味著SiC功率器件可以在更高的溫度下運行而不損壞。這降低了對冷卻系統的要求，從而減小了系統的體積和成本。

 

高功率密度：由于SiC器件的高效率和高溫性能，儲能變流器可以設計得更加緊湊，提供更高的功率密度。這對需要節省空間和重量的應用場景非常重要，如電動汽車和便攜式儲能系統。

 

更快的開關速度：SiC功率器件的開關速度比傳統的硅（Si）器件快得多。這不僅提高了效率，還減少了電磁干擾（EMI）問題，因為更快的開關速度可以實現更干凈的切換。

 

更高的電壓阻斷能力：SiC器件通常能夠承受更高的電壓，這使得它們在高電壓應用中非常有用，如高壓直流輸電（HVDC）和大型儲能系統。

 

系統成本降低：盡管SiC功率器件的初始成本較高，但其高效能、高功率密度和減少的冷卻需求，可以在系統級別上降低整體成本。這包括更少的散熱器、更小的濾波器和更少的元件數。

 

綜上所述，采用碳化硅功率器件的儲能變流器在提高效率、減少體積、提升可靠性和降低整體系統成本方面具有顯著優勢。這些特點使得SiC功率器件在高要求的儲能和電力轉換應用中越來越受到青睞。

 

傾佳電子（Changer Tech）專業分銷基本™國產車規級碳化硅(SiC)MOSFET，國產車規級AEC-Q101碳化硅(SiC)MOSFET，國產車規級PPAP碳化硅(SiC)MOSFET，全碳化硅MOSFET模塊，Easy封裝全碳化硅MOSFET模塊，62mm封裝全碳化硅MOSFET模塊，Full SiC Module，SiC MOSFET模塊適用于超級充電樁，V2G充電樁，高壓柔性直流輸電智能電網(HVDC)，空調熱泵驅動，機車輔助電源，儲能變流器PCS,光伏逆變器,超高頻逆變焊機，超高頻伺服驅動器，高速電機變頻器等，光伏逆變器專用直流升壓模塊BOOST Module，儲能PCS變流器ANPC三電平碳化硅MOSFET模塊，光儲碳化硅MOSFET。專業分銷基本™SiC碳化硅MOSFET模塊及分立器件，全力支持中國電力電子工業發展！

 

汽車級全碳化硅功率模塊是基本™（BASiC Semiconductor）為新能源汽車主逆變器應用需求而研發推出的系列MOSFET功率模塊產品，包括Pcore™6‍汽車級HPD模塊、‍Pcore™2‍汽車級DCM模塊、‍Pcore™1‍汽車級TPAK模塊、Pcore™2‍汽車級ED3模塊等，采用銀燒結技術等基本™（BASiC Semiconductor）最新的碳化硅 MOSFET 設計生產工藝，綜合性能達到國際先進水平，通過提升動力系統逆變器的轉換效率，進而提高新能源汽車的能源效率和續航里程。主要產品規格有：BMS800R12HWC4_B02，BMS600R12HWC4_B01，BMS950R12HWC4_B02，BMS700R12HWC4_B01，BMS800R12HLWC4_B02，BMS600R12HLWC4_B01，BMS950R12HLWC4_B02，BMS700R12HLWC4_B01，BMF800R12FC4，BMF600R12FC4，BMF950R08FC4，BMF700R08FC4，BMZ200R12TC4，BMZ250R08TC4

 

傾佳電子（Changer Tech）專業分銷基本™（BASiC Semiconductor）碳化硅(SiC)MOSFET專用雙通道隔離驅動芯片BTD25350，原方帶死區時間設置，副方帶米勒鉗位功能，為碳化硅功率器件SiC MOSFET驅動而優化。

BTD25350適用于以下碳化硅功率器件應用場景：

充電樁中后級LLC用SiC MOSFET 方案

光伏儲能BUCK-BOOST中SiC MOSFET方案

高頻APF，用兩電平的三相全橋SiC MOSFET方案

空調壓縮機三相全橋SiC MOSFET方案

OBC后級LLC中的SIC MOSFET方案

服務器交流側圖騰柱PFC高頻臂GaN或者SiC方案

  

碳化硅MOSFET具有優秀的高頻、高壓、高溫性能，是目前電力電子領域最受關注的寬禁帶功率半導體器件。在電力電子系統中應用碳化硅MOSFET器件替代傳統硅IGBT器件，可提高功率回路開關頻率，提升系統效率及功率密度，降低系統綜合成本。

 

基本™第二代碳化硅MOSFET系列新品基于6英寸晶圓平臺進行開發，比上一代產品在比導通電阻、開關損耗以及可靠性等方面表現更為出色。在原有TO-247-3、TO-247-4封裝的產品基礎上，基本™還推出了帶有輔助源極的TO-247-4-PLUS、TO-263-7及SOT-227封裝的碳化硅MOSFET器件，以更好地滿足客戶需求。

 

基本™第二代碳化硅MOSFET亮點

更低比導通電阻：第二代碳化硅MOSFET通過綜合優化芯片設計方案，比導通電阻降低約40%，產品性能顯著提升。

 

更低器件開關損耗：第二代碳化硅MOSFET器件Qg降低了約60%，開關損耗降低了約30%。反向傳輸電容Crss降低，提高器件的抗干擾能力，降低器件在串擾行為下誤導通的風險。

 

更高可靠性：第二代碳化硅MOSFET通過更高標準的HTGB、HTRB和H3TRB可靠性考核，產品可靠性表現出色。

 

更高工作結溫：第二代碳化硅MOSFET工作結溫達到175°C，提高器件高溫工作能力。

 

碳化硅 (SiC) MOSFET出色的材料特性使得能夠設計快速開關單極型器件，替代升級雙極型 IGBT  （絕緣柵雙極晶體管）開關。碳化硅 (SiC) MOSFET替代IGBT可以得到更高的效率、更高的開關頻率、更少的散熱和節省空間——這些好處反過來也降低了總體系統成本。SiC-MOSFET的Vd-Id特性的導通電阻特性呈線性變化，在低電流時SiC-MOSFET比IGBT具有優勢。

與IGBT相比，SiC-MOSFET的開關損耗可以大幅降低。采用硅 IGBT 的電力電子裝置有時不得不使用三電平拓撲來優化效率。當改用碳化硅 (SiC) MOSFET時，可以使用簡單的兩級拓撲。因此所需的功率元件數量實際上減少了一半。這不僅可以降低成本，還可以減少可能發生故障的組件數量。SiC MOSFET 不斷改進，并越來越多地加速替代以 Si IGBT 為主的應用。 SiC MOSFET 幾乎可用于目前使用 Si IGBT 的任何需要更高效率和更高工作頻率的應用。這些應用范圍廣泛，從太陽能和風能逆變器和電機驅動到感應加熱系統和高壓 DC/DC 轉換器。

 

隨著自動化制造、電動汽車、先進建筑系統和智能電器等行業的發展，對增強這些機電設備的控制、效率和功能的需求也在增長。碳化硅 MOSFET (SiC MOSFET) 的突破重新定義了歷史上使用硅 IGBT (Si IGBT) 進行功率逆變的電動機的功能。這項創新擴展了幾乎每個行業的電機驅動應用的能力。Si IGBT 因其高電流處理能力、快速開關速度和低成本而歷來用于直流至交流電機驅動應用。最重要的是，Si IGBT 具有高額定電壓、低電壓降、低電導損耗和熱阻抗，使其成為制造系統等高功率電機驅動應用的明顯選擇。然而，Si IGBT 的一個顯著缺點是它們非常容易受到熱失控的影響。當器件溫度不受控制地升高時，就會發生熱失控，導致器件發生故障并最終失效。在高電流、電壓和工作條件常見的電機驅動應用中，例如電動汽車或制造業，熱失控可能是一個重大的設計風險。

 

電力電子轉換器提高開關頻率一直是研發索所追求的方向，因為相關組件（特別是磁性元件）可以更小，從而產生小型化優勢并節省成本。然而，所有器件的開關損耗都與頻率成正比。IGBT 由于“拖尾電流”以及較高的門極電容的充電/放電造成的功率損耗，IGBT 很少在 20KHz 以上運行。SiC MOSFET在更快的開關速度和更低的功率損耗方面提供了巨大的優勢。IGBT 經過多年的高度改進，使得實現性能顯著改進變得越來越具有挑戰性。例如，很難降低總體功率損耗，因為在傳統的 IGBT 設計中，降低傳導損耗通常會導致開關損耗增加。

 

作為應對這一設計挑戰的解決方案，SiC MOSFET 具有更強的抗熱失控能力。碳化硅 的導熱性更好，可以實現更好的設備級散熱和穩定的工作溫度。SiC MOSFET 更適合較溫暖的環境條件空間，例如汽車和工業應用。此外，鑒于其導熱性，SiC MOSFET 可以消除對額外冷卻系統的需求，從而有可能減小總體系統尺寸并降低系統成本。

 

由于 SiC MOSFET 的工作開關頻率比 Si IGBT 高得多，因此它們非常適合需要精確電機控制的應用。高開關頻率在自動化制造中至關重要，高精度伺服電機用于工具臂控制、精密焊接和精確物體放置。此外，與 Si IGBT 電機驅動器系統相比，SiC MOSFET 的一個顯著優勢是它們能夠嵌入電機組件中，電機控制器和逆變器嵌入與電機相同的外殼內。使用SiC MOSFET 作為變頻器或者伺服驅動功率開關器件的另一個優點是，由于 MOSFET 的線性損耗與負載電流的關系，它可以在所有功率級別保持效率曲線“平坦”。SiC MOSFET變頻伺服驅動器的柵極電阻的選擇是為了首先避免使用外部輸出濾波器，以保護電機免受高 dv/dt 的影響（只有電機電纜長度才會衰減 dv/dt）。 SiC MOSFET變頻伺服驅動器相較于IGBT變頻伺服驅動器在高開關頻率下的巨大效率優越性.

 

盡管 SiC MOSFET 本身成本較高，但某些應用可能會看到整個電機驅動器系統的價格下降（通過減少布線、無源元件、熱管理等），并且與 Si IGBT 系統相比總體上可能更便宜。這種成本節省可能需要在兩個應用系統之間進行復雜的設計和成本研究分析，但可能會提高效率并節省成本。基于 SiC 的逆變器使電壓高達 800 V 的電氣系統能夠顯著延長電動汽車續航里程并將充電時間縮短一半。

 

碳化硅 (SiC) MOSFET功率半導體技術代表了電力電子領域的根本性變革。SiC MOSFET 的價格比 Si MOSFET 或 Si IGBT 貴。然而，在評估碳化硅 (SiC) MOSFET提供的整體電力電子系統價值時，需要考慮整個電力電子系統和節能潛力。需要仔細考慮以下電力電子系統節省： 第一降低無源元件成本，無源功率元件的成本在總體BOM成本中占主導地位。提高開關頻率提供了一種減小這些器件的尺寸和成本的方法。 第二降低散熱要求，使用碳化硅 (SiC) MOSFET可顯著降低散熱器溫度高達 50%，從而縮小散熱器尺寸和/或消除風扇，從而降低設備生命周期內的能源成本。 通常的誘惑是在計算價值主張時僅考慮系統的組件和制造成本。在考慮碳化硅 (SiC) MOSFET的在電力電子系統里的價值時，考慮節能非常重要。在電力電子設備的整個生命周期內節省能源成本是碳化硅 (SiC) MOSFET價值主張的一個重要部分。