扩增全碳化硅功率模块阵容 协助高功率应用程序

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近年SiC由于节能效果卓越,广为汽车或工具机等所采用,并可望有更大功率的产品阵容。 而为了百分百活用SiC产品所具有的独特高速开关性能,在类似功率模块产品等额定电流大的产品方面,尤其需要研发新封装以抑制开关时突波电压﹙surge voltage﹚的影响。

半导体制造商ROHM于2012年3月率先开始量产由全碳化硅构成内建型功率半导体组件的全SiC功率模块。 之后陆续推出高达1200V、300A额定电流的产品,广为各种不同领域所采用。 本次使用新研究封装在IGBT模块市场中成功扩增涵盖100A到600A等主要额定电流范围的全SiC模块阵容,可望进一步扩大需求。

ROHM针对工具机用电源、太阳能发电功率调节器﹙Power Conditioner﹚或UPS等变频器﹙inverter﹚、转换器﹙converter﹚业已研发出1200V 400A、600A额定的全碳化硅﹙Full SiC﹚功率模块BSM400D12P3G002、BSM600D12P3G001。

本产品藉由**研发模块内部构造及散热设计的优化封装达到额定600A,因此可进一步探讨工具机用大容量电源等更高功率应用程序。 而且,由于开关损耗也比一般同等额定电流的IGBT模块减少了64%(芯片温度150℃时),因此有助于应用程序的节能化。 此外,由于可以进行高频率驱动,周边可选用较小组件,开关损耗亦大幅降低,协助冷却系统的小型化。 例如,在冷却系统损耗仿真的试算下,相较于同等额定电流的IGBT模块,使用SiC模块可以让水冷散热器﹙water heat sink﹚小型化88%。 本模块从6月起开始进行样品出货?量产。

产品特色

大幅降低开关损耗,有助于装置的节能

图一

由于成功研发出搭配ROHM制SiC-SBD和SiC-MOSFET的全SiC功率模块,开关损耗比一般同等额定电流的IGBT模块减少了64%(芯片温度为摄氏150时),可降低应用程序的功率变换损耗,有助于节能。

高频率驱动,周边组件小型化

图二

在PWM变频器驱动时的损耗仿真中,若将该开关频率所导致的损耗与同等额定电流的IGBT模块进行比较,则5kHz驱动时为30%,20kHz驱动时为55%,总损耗将进一步大幅降低。 在20kHz驱动的情况下,可以使假设及必要的散热器尺寸小型化88%。

加上,由于可高频率驱动,可使用较小型周边被动组件的小型化。

为达大电流化的技术重点

大幅降低封装内部电感

图三 : 开关损耗vs.突波电压

为了谋求功率模块产品的大额定电流化,开关动作时的突波电压会变大,故有必要降低封装﹙package﹚内部的电感﹙inductance﹚。 此次藉由配置内建型SiC装置或使内部配置、端子构造等优化,内部电感因而比传统产品约减低了23%。 由于新研发的封装G型比传统封装更抑制了27%相同损耗时的突波电压,因此产品化的规模将达到额定400A、600A。 并且,在同等突波电压驱动条件下,采用新封装还可以降低24%的开关损耗。

大幅提升封装的散热性

图四 : Case与Fin间热阻抗

为了达到额定600A的大电流化,除了内部电感的阻抗外,还必须降低散热性。 新产品藉由加强对模块散热性至为重要之底板部分的平坦性,可以降低57%底板与客户所安装之冷却装置间的热阻抗。

此外,与过去所介绍的SiC模块同?,也备有轻松进行产品评估的评估用驱动型闸极驱动板﹙gate drive board﹚。

名词解释

1.电感﹙inductance﹚: 使流动电流变化时表示电磁感应﹙electromagnetic induction﹚所发生之电动势﹙electromotive force﹚大小的量。

2.突波电压﹙surge voltage﹚: 意指在电流稳定流动的电路中突然激烈变动的电压。 本篇文章特指MOSFET之开关切off时所发生的电压。

3.IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor): 绝缘闸极型双极性晶体管。 将MOSFET嵌入闸极的双极性晶体管。

4.MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor): 意指金属氧化物半导体场效晶体管,在FET中*普遍被使用的构造,可作为开关组件使用。

5.SBD(Schottky Barrier Diode): 透过使金属和半导体接触形成萧特基接面来取得整流性(二极管特性)的二极管。 特征是无少数载子堆积效应、高速性卓越。

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