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使用SiC MOSFET的好处是什么?

  • 更换功率半导体器件可提高效率
  • 使用IGBT的功率损耗是多少?
  • SiC MOSFET替代的功率损耗是多少?
  • 通过将GBT更改为SiC MOSFET,功率损耗降低了约41%。

产品信息

产品列表
器件型号 数据表 库存查询 搭载部位・数量 说明
TW070J120B PDF(506KB)

Stock Checking

主开关・6

1200V/70mΩ(典型值)@VGS=20V/TO-3P(N)

东芝电子元件及存储装置株式会社提供与其功率半导体相关的实用参考设计。 公司还可根据具体情况提供设计支持。 在下面的文章中,将通过一个示例来说明如何通过采用基于碳化硅 (SiC) 的 MOSFET 来提高效率(从而降低功率损耗)。

改善现有产品效率的直接问题

为了阐明要点,让我们来看一个实际例子。作为工业逆变器制造商的A公司一直在努力提高效率,以应对当前迅速变化的市场趋势。除了采用新设计外,修改现有设计和替换现有产品组件也至关重要。作为该客户的东芝供应商被要求在短时间内对现有设计和组件做出修改,具体通过调用相关参考设计来完成。

A公司经营多种逆变器产品,其中一种是2kVA输出单相逆变器。该产品高度通用并广泛应用于各类工业机器人和生产线。因此,A公司的需求呈现多样化特点,每种需求都需得到充分满足。尤其是急需提高效率,现有产品也需获得支持。因此,A公司需要采购替换性的功率半导体器件,但希望尽可能减少对现有设计的变更,以减少产品所受影响。

确认目标产品和损耗

提高效率的第一个尝试是2kVA输出单相逆变器。显而易见,该类逆变器产品如能进一步降低损耗,在市场上将会更具竞争力。不过,该逆变器为低输出型,其电路结构简单,与高输出型相比,效率提升空间不是很大。东芝工程师检查了逆变器中集成的四个绝缘栅双极晶体管(以下简称“IGBT”),并研究通过更换这些开关器件可以降低多少损耗.。

图1:2kVA输出单相逆变器示意图
2kVA输出单相逆变器规格-A公司 

参数

数值

输入电压

DC 400V

输入电压(有效值)

AC 200V

相电流(有效值)

10A

最大输出

2kVA

开关效率

15Hz

通过与A公司的沟通,确认使用IGBT的现有机型的损耗情况如下:

IGBT损耗

IGBT损耗(每个器件)

击穿

 

 

相电流10A时:14.4W

导通损耗:4.4W

开通损耗:3.1W

关断损耗:6.9W

替换为SiC MOSFET时的损耗检查

由于使用IGBT的现有产品的驱动条件可驱动SiC MOSFET,因此东芝工程师检查了替换后的损耗情况。

1)导通损耗

由于IGBT的电流导通损耗为4.4W,因此应将导通损耗与IGBT基本相同的SiC MOSFET纳入考虑范围。导通损耗可根据SiC MOSFET的导通电阻计算得出。与导通电阻和逆变器输出相电流相关的导通损耗被绘制成图表(见下图)。因此,在一系列潜在的输出相电流条件下,应将与现有IGBT导通损耗相同的SiC MOSFET纳入考虑范围。

导通损耗 
SiC MOSFET导通电阻

导通损耗

80mΩ

5.1W

70mΩ

4.5W

60mΩ

3.9W

表 2:不同SiC MOSFET器件的传导损耗

根据所得结果可知,TW070J120B SiC MOSFET被确定为最佳选择。该器件具有70mΩ导通电阻,具有与现有IGBT几乎相同的导通损耗(4.4W)。

TW070J120B

2)开关损耗

在现有产品电路中,IGBT被替换为TW070J120B。根据开关波形和其他因素计算后可知,相电流为10A时的开关损耗将导致2.5W的开通损耗和1.5W的关断损耗。

3)整体损耗对比

以下是现有IGBT和替代性SiC MOSFET之间的各类损耗对比情况。通过用TW070J120B替换IGBT,导通和关断损耗显着降低,总损耗降低了5.9W(从14.4W降低到8.5W)。

每种损失的比较

 

导通损耗

开通损耗

关断损耗

总损耗

IGBT现有型号

4.4W

3.1W

6.9W

14.4W

采用TW070J120B 替代品的型号

4.5W

(增加约2%)

2.5W

(减少约19%)

1.5W

(减少约78%)

8.5W

(减少约41%)

开关损耗的显着降低在很大程度上归功于SiC MOSFET增强的开关特性。虽然IGBT可实现高耐压和低导通电阻,但需要考虑它的拖尾电流问题。相比之下,SiC MOSFET由于碳化硅(SiC)特有特性(及其宽带隙特性),实现了高耐压、低导通电阻和高速开关特性。与IGBT不同,新器件结构不会产生拖尾电流,这意味着可将开关损耗保持在较低水平。

下方波形图比较了一般IGBT和TW070J120B SiC MOSFET的开关波形。虽然不是本案例电路和工作条件下的评估波形,但它显示了相同条件下用于栅极驱动信号的IGBT和SiC MOSFET在导通和关断时IC/ID和VCE/VDS的典型特性。本实例中,IC/ID为10A,VCE/VDS为800V。

图 3:IGBT和SiC MOSFET IC/ID和VCE/VDS值的比较
开通损耗
开通损耗
关断损耗
关断损耗

在导通时,SiC MOSFETs的IC/ID上升速度只是稍快,但其收敛至10A设定条件所需的时间快得多。但对于IGBT而言,其收敛需花费些时间,在此期间会发生能量损耗。导通时流过的电流包括集电极/漏极和发射极/源极之间的二极管(无论是外置还是内置)的恢复电流,因此二极管的恢复特性会产生影响。

对于所选的TW070J120B SiC MOSFET而言,在漏极和源极之间放置了一个单独的碳化硅(SiC)肖特基势垒二极管。该二极管的恢复特性高,恢复电流收敛快。与高速开关相结合,有助于减少导通期间的损耗。

关断时的IC/ID下降特性有很大差异。由于内在拖尾电流流经IGBT,因此需相当长的时间才能收敛到足够关断的状态。很明显,在这段时间内会有大量电流流动——从而导致出现相当大的损耗。由于SiC MOSFET不产生拖尾电流,因此关断时的损耗要小得多。

理想情况下,开关元件依据栅极信号执行立即导通和关断,此时IC/ID和VCE/VDS立即收敛至条件值。换句话说,除此之外产生的任何电流×电压(即电力)基本上都是损耗。因此,开关元件的开关特性对于降低开关损耗来说至关重要。通过优化工作条件可使开关特性接近理想状态,但不可避免地要排除某些基本特性的影响,如IGBT中存在的拖尾电流。如这些特性被证明存在无法克服的问题,那么用SiC MOSFET替换IGBT的论点将更具说服力。

总结

通过更改此处提及的现有2kVA单相逆变器产品的开关元件(将IGBT替换为SiC MOSFET),额定运行期间每个器件的损耗将从14.4W降至仅8.5W,这相当于损耗降低了约41%。这主要归功于SiC MOSFET卓越的开关能力。

需要指出的是:除了降低损耗外,采用SiC MOSFET还具有诸多优点。SiC MOSFET在高温环境下具有优异的工作特性,与IGBT相比,可简化现有散热措施。此外,由于开关损耗非常低,系统可在比IGBT开关可支持频率更高的频率下运行。如能提高开关频率,就可以降低外围器件(线圈和电容器)的使用,从而节省空间和成本,并使产品具有更大的竞争优势。

通过将A公司现有产品的IGBT开关元件替换为SiC MOSFET,东芝成功解决了功率损耗问题。除了提供能够修改现有实施方案的参考设计外,东芝还提供了大量的额外技术支持。东芝正持续地开发新创新技术,以持续提高SiC MOSFET性能,并扩大基于碳化硅(SiC)的功率器件产品线。

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