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直接冷却型SiC混合IGBT功率模块研发
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全SiC功率模块：锐减体积与功耗
罗姆株式会社推出的“全SiC”功率模块（额定A）近期开始投入量产。该产品的内置功率半导体元件全部采用SiC构成。
　　罗姆株式会社推出的&全SiC&功率模块（额定A）近期开始投入量产。该产品的内置功率半导体元件全部采用SiC构成。　　此产品安装在工业设备和太阳能电池等中负责电力转换的变频器、转换器上，与普通的硅材质的IGBT模块相比，具备以下优势，有效解决了世界能源和资源等地球环境问题。它的优势是：开关损耗降低85％，与传统的400A级别的Si-IGBT模块相替换时，体积减小约50％；损耗低，因此发热少，可减小冷却装置体积，从而可实现设备整体的小型化。　　近年来，在工业设备和太阳能电池、电动汽车、铁路等电力领域，与Si元件相比，电力转换时损耗少、材料性能卓越的SiC元件/模块的实际应用备受期待。根据估算，将传统的Si半导体全部替换为SiC后的节能效果，仅在日本国内就相当于4座核电站的发电量，因此，各公司都已强化了相关研究开发。在这种背景下，罗姆于2010年在世界上率先成功实现了SiC-SBD和SiC-MOSFET两种SiC元件的量产，在行业中遥遥领先。　　与此同时，关于&全SiC&模块，即所内置的功率元件全部将Si替换为SiC，多年来，虽然全世界的制造商多方试制，但在可靠性上存在诸多课题，一直无法实现量产。此次，通过罗姆开发出的独创的缺陷控制技术和筛选法，使可靠性得以确保。另外，针对SiC制备过程中特有的1700℃高温工序，为了防止其发生特性劣化，罗姆开发了控制技术，于世界首家确立了&全SiC&功率模块的量产体制。内置最先进的SiC-SBD和SiC-MOSFET两种元件，与传统的Si-IGBT模块相比，可以将电力转换时的损耗降低85％。另外，与IGBT模块相比，在10倍于其的频率－100kHz以上的高频环境下工作成为可能。该产品的额定电流为100A，通过高速开关和低损耗化，可以与额定电流为200～400A的Si-IGBT模块进行替换。不仅如此，通过设计和工艺的改善，罗姆还成功开发出散热性卓越的模块。替换传统的400A级别的Si-IGBT模块时，体积可减小约50％。由于损耗低，因此发热少，可减小外置的冷却装置体积，从而非常有助于设备整体的小型化。　　罗姆将称其以SiC为首的功率元件事业作为发展战略之一定位，今后，加强实现更高耐压、更大电流的SiC元件/模块的产品阵容的同时，不断推进完善SiC 沟槽式MOSFET和SiC-IPM（智能电源模块）等SiC相关产品的阵容与量产化。
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【选型】替换3倍电流的Si IGBT模块，SiC模块怎么做到？
目前，SiC是目前唯一能解决电力电子市场对于高性能1200V和1700V器件需求的宽禁带半导体材料。SiC二极管技术已经在市场上蓬勃发展十多年，近年来许多开关器件已采用SiC电路解决方案。本文实例子分析了SiC MOSFET是如何替代3倍电流的Si IGBT模块的。电压型变频器设计由于SiC器件能显著降低开关损耗，一个额定电流100A的SiC MOSFET模块有望替换更大额定电流的Si IGBT模块。为了分析和量化这一点，设计了一个如表1所示规格的通用电压型变频器。&&表1：电压型变频器规格本文采用150A和200A第六代Si IGBT模块与100A SiC MOSFET模块做比较，相关参数见表2。150A、200A第六代沟场阻止Si IGBT半桥模块对100A的SiC MOSFET半桥模块相比（表2）。在额定电流条件下（75ARMS），Tj = 150℃ 状态时，100A SiC MOSFET和150A Si IGBT的导通压降近似相等（见图2）。在过载条件下（90ARMS），Tj = 150℃ 状态时，100A SiC Mosfet模块的导通压降比150A Si IGBT模块的导通压降高0.3V。然而具有优异开关能力的SiC MOSFET的总开关损耗只有150A Si IGBT的总开关损耗的七分之一到四分之一，这使得在使用SiC器件，即使在低开关频率（5kHz）的应用中，器件的损耗也显著减少，器件损耗的降低，允许更高的热裕量（可靠性增强）或更高的系统功率。表2：150A和200A Si IGBT模块，100A SiC MOSFET模块的关键参数图3 ：150A Si IGBT和100A SiC MOSFET导通损耗图4：150A Si IGBT和100A SiC MOSFET开关损耗电压型变频器仿真结果通过使用SI IGBT制造商提供的软件对表1所述的电压型变频器，所需用表2的模块参数作为输入量进行了仿真。在150A Si IGBT和100A SiC MOSFET模块采用同样大小的散热器情况下，仿真运行了75A和90A两种电流，5kHz和16kHz两种开关频率的情形。表3列出了150A Si IGBT模块在额定和过载条件下5kHz开关频率运行，其平均结温都低于150℃。把开关频率提高到16kHz，结果只能运行75A的最大电流，没有过载能力。要实现20%的过载能力，必须采用200A Si IGBT模块替换150A的Si IGBT模块。如果过载情况下还希望有一定的热裕量，那就需要采用250A或300A的Si IGBT模块。而100A SiC MOSFET模块在上述条件下都能正常工作。表3. 电压型变频器仿真结果SiC MOSFET模块的高效开关带来热效益。75ARMS和5kHz开关频率运行时，开关损耗降低了13.7%，可降低2.1℃的结温。二极管的损耗降低了58.3%，可降低9.2℃的结温。整个器件损耗降低了23.2%（或145.3瓦）。此外，散热器和外壳的温度分别降低了7.4℃和8℃，从而延长了热界面材料的使用寿命。综述所述，SiC MOSFET模块可缩减大量的功率损耗并大大提升产品的可靠性，即使在低开关频率的应用中也是如此。图5： 100A SiC MOSFET和150A Si IGBT的总损耗（75ARMS和5kHz条件下）SiC MOSFET总功率损耗的的峰值/平均值比值仅为2.81，而Si IGBT的则为3.48，比SiC MOSFET的高了24%。热阻抗近似相等时，SiC MOSFET在正常运行时将比Si IGBT经历更低的温度波动，这将进一步增加模块的可靠性。随着开关频率从5kHz增大到16kHz，SiC MOSFET技术所带来的好处更加明显。为了满足过载条件，Si IGBT模块至少需要200A电流规格的，而且还没有多少热裕量。正常运行时（75ARMS），100A的SiC MOSFET模块总器件损耗只有200A Si IGBT模块的57.1%（仅为783.1瓦！）。这极大地降低了结温、壳温和散热器的温度，从而提高了可靠性。而为了满足热裕量的需求，还得采用250A或300A的Si IGBT模块。&总结电压型变频器的仿真表明100A的SiC MOSFET模块可替代150A、200A甚至300A的 Si IGBT模块，同时还提供更高的性能、更低的损耗和更高的可靠性。从系统层面考虑，由于SiC器件的额定安培不等同于Si器件的额定安培，基于SiC的设计需要从系统功率来评估每kW的价格，而不是评估每额定安培的价格。随着SiC功率器件使用数量的上升、制造工艺的提升以及材料/器件的创新，其成本会迅速下降。所有的SiC模块如CAS120M12BM2就是通过缩减系统成本，且提供额外的性能和可靠性保证来赢得市场的。
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上世强元件电商新一代SiC功率模块: 性能“完爆”传统Si基IGBT！-其他传感器电路图-电子产品世界
-&-&-&新一代SiC功率模块: 性能“完爆”传统Si基IGBT！
新一代SiC功率模块: 性能“完爆”传统Si基IGBT！
Wolfspeed（原Cree）公司近期推出了应用于功率为5-15kW三相逆变器的全新的20A全SiC功率模块CCS020M12CM2。工业发电系统原有的Si基逆变器会带来比如功率密度较小，功耗较大与成本较大等诸多不利因素，但基于Wolfspeed（原Cree）公司的C2M(TM) SiC MOSFET和Z-Rec(R) SiC肖特基二极管技术，该六单元SiC逆变器模块可以使设计人员很好的克服上述问题。
Cummins是全球发电系统的领先制造商，已经在其逆变器平台上测试并验证了Wolfspeed（原Cree）公司的全新20A全SiC系类功率模块的性能。除此之外，Cummins的工程师们正在将该功率模块与其下一代高效产品整合在一起，从而使产品获得更好的性能。
“Wolfspeed（原Cree）公司的全新20A全SiC系类功率模块使我们顶级的逆变器产品在功耗降低了50%的同时额定功率提升了40%，并且性能还增加了5%，”Cummins公司电力电子产品线架构主管Brad Palmer表示。“这一新的电源模块是技术上的重要进步，其能够将额定电流提升至Si基IGBT的四倍以上。我们很高兴能有机会对这项技术进行早期测试，并且期待着把它利用在我们的新产品中。
& & 由于MOSFET的关断电流和肖特基二极管的反向电流都接近于零，全新20A全SiC系类功率模块的开关功耗达到了业界最低水平。与传统Si基IGBT相比，由于功耗较小，这款全新的SiC功率模块在工作时各个器件的发热都要低多的，使得设计人员不必再因为高频率与高功率的原因而不得不降低性能。
CCS020M12CM2产品特点：
超低损耗；
高效运行；
二极管反向电流为零；
MOSFET关断电流为零；
安全故障装置操作；
适用范围广；
氮化铝陶瓷绝缘外壳；
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