三菱電機(jī)正在開發(fā)全新的額定3.3 kV/750 A的全碳化硅MOSFET器件,，該器件采用最新的LV100封裝，特別適用于牽引應(yīng)用和模塊化變換器設(shè)計(jì),。本文將重點(diǎn)介紹這款全碳化硅器件以及說明其在牽引應(yīng)用中的優(yōu)勢,。

作者：三菱歐洲 Dr. Nils Soltau，Eugen Wiesner 

三菱日本Kenji Hatori,，Hitoshi Uemura

1.概要

基于碳化硅材料的功率器件被認(rèn)為是現(xiàn)代電力電子技術(shù)的重大革新,。相較于傳統(tǒng)的硅基器件，碳化硅器件可實(shí)現(xiàn)更高效和更緊湊的變換器設(shè)計(jì),，以降低能耗和高成本材料的使用,。

圖1 采用最新LV100封裝的3.3 kV/750 A全碳化硅器件

在過去的20年中,，三菱電機(jī)開發(fā)并商業(yè)化了不同電壓等級和用于各種應(yīng)用領(lǐng)域的碳化硅功率器件[1]。目前,，得益于在機(jī)車牽引等應(yīng)用領(lǐng)域中對碳化硅器件多年的現(xiàn)場應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)[2],，三菱電機(jī)開發(fā)出全新的全碳化硅2單元MOSFET模塊FMF750DC-66A，其額定電壓為3.3 kV,，額定電流為750 A,，特別適用于高性能牽引變流器和柔性變換器的設(shè)計(jì)。

由于快速開關(guān)瞬態(tài)特性,，全碳化硅器件需要采用具有低雜散電感的合適封裝,。如圖1所示，F(xiàn)MF750DC-66A采用了其所在電壓和功率等級的最先進(jìn)封裝技術(shù)：LV100封裝,，這種封裝內(nèi)部雜散電感低于10 nH,，且具有并聯(lián)連接簡單的特點(diǎn)。此外,，該封裝的內(nèi)部設(shè)計(jì)確保了模塊內(nèi)部芯片之間的最佳電流分配,。

2.與硅基器件對比

以下對FMF750DC-66A與2款硅基IGBT器件進(jìn)行比較，其中這2款I(lǐng)GBT同樣采用LV100封裝且電壓等級均為3.3 kV,，其額定電流分別為450 A和600 A,，具體型號分別為CM450DA-66X和CM600DA-66X。這3款模塊的靜態(tài)特性對比結(jié)果如圖2所示,，很好地說明了雙極型IGBT和單極型MOSFET之間的基本差異,。應(yīng)該注意的是，所有器件特性都在其各自的最大結(jié)溫給出,，其中IGBT器件的為150°C,，而FMF750DC-66A的為175°C,。由于MOSFET的線性的電流-電壓關(guān)系特性,，其小電流下的導(dǎo)通壓降比雙極型IGBT的低得多，如圖2（a）所示,。如圖2（b）所示,，與IGBT模塊中的續(xù)流二極管相比，如果二極管（SBD）和MOSFET都導(dǎo)通反向電流（同步整流模式）,，F(xiàn)MF750DC-66A的反向壓降相對IGBT器件的也小得多,。特別是在低負(fù)載條件下，單極性器件能夠顯著提高變換器效率,，隨后的章節(jié)以牽引應(yīng)用為例對此進(jìn)行量化體現(xiàn),。

圖2  全碳化硅模塊與硅基模塊的靜態(tài)特性對比

全碳化硅器件的另一個(gè)顯著優(yōu)勢是開關(guān)損耗的降低，同樣這也是得益于單極性器件的特性,。這類器件不存在反向恢復(fù)和拖尾電流,，從而大幅降低開關(guān)損耗，并且允許相比硅基雙極性器件更高的開關(guān)頻率。圖3給出了器件導(dǎo)通,、關(guān)斷和反向恢復(fù)期間的功耗總和,。與硅基IGBT相比，全碳化硅MOSFET模塊的開關(guān)損耗降低了80~90％,。

圖3  全碳化硅模塊與硅基模塊的開關(guān)損耗對比

以下章節(jié)將量化并討論變換器設(shè)計(jì)在目標(biāo)應(yīng)用的優(yōu)勢,。

3.系統(tǒng)級優(yōu)勢

首個(gè)案例是直流母線電壓1500 V且開關(guān)頻率為750 Hz的牽引變流器，對CM600DA-66X和FMF750DC-66A產(chǎn)生的損耗進(jìn)行了對比,。圖4（a）描述了采用FMF 750DC-66A替換CM600DA-66X后所帶來的能耗改善,，特別是在車輛部分負(fù)載條件下，節(jié)能潛力巨大,。當(dāng)輸出電流在400 A以下時(shí),，全碳化硅器件的半導(dǎo)體功耗可以降低50％~80％（在相同的器件尺寸下），而在部分負(fù)載下時(shí),，運(yùn)行功耗可以進(jìn)一步降低,。此外，由于FMF750DC-66A的效率更高,，可運(yùn)行結(jié)溫更高,，整流模式運(yùn)行時(shí)的最大功率也會增加。如圖4（b）所示,，在750 Hz的典型開關(guān)頻率下,，基于FMF750DC-66A的變流器的最大輸出功率相對基于CM600DA-66X的增加了約60％。由于整流模式用于車輛減速時(shí)的能量回收,，所以會有更多的能量被回收并反饋回電網(wǎng),，這同樣降低了傳統(tǒng)制動系統(tǒng)上的壓力。

圖4 FMF750DC-66A與CM600DA-66X的對比

第二個(gè)案例是在功率因數(shù)0.9下運(yùn)行的并網(wǎng)逆變器,，并得出取決于輸出電流的最大開關(guān)頻率,，圖5中所示為考慮冷卻水溫度40°C的結(jié)果。因此,，在相同的電流水平下,，F(xiàn)MF750DC-66A的最大開關(guān)頻率相比CM600DA-66X的可增加5~9倍。

圖5  不同開關(guān)頻率下的最大輸出電流

較高的開關(guān)頻率允許變換器制造商的網(wǎng)格濾波器設(shè)計(jì)中采用更高的諧振頻率,，因此LCL濾波器中所需的電感和電容值會降低,，既降低了濾波器的尺寸、成本和損耗,，又實(shí)現(xiàn)了對變換器更為動態(tài)的控制,。此外，對于機(jī)器側(cè)逆變器或DC-DC變換器,，更高的開關(guān)頻率可以設(shè)計(jì)出更緊湊的高速驅(qū)動器和中頻變換器[3,、4],。

除開關(guān)頻率增加外，圖4（b）已經(jīng)證明保持開關(guān)頻率恒定,，基于碳化硅器件的變換器可以輸出更高的功率,。FMF750DC-66A采用與CM450DA-66X、CM600DA-66X相同的封裝,，可實(shí)現(xiàn)更靈活的變換器設(shè)計(jì)和更為快速的進(jìn)度開發(fā),，且具有與硅基逆變器類似的配置。

除了在前面所討論的牽引和電網(wǎng)應(yīng)用,，F(xiàn)MF750DC-66A還在諸多方面具有更多優(yōu)勢,，圖6說明了其在模塊、變換器和應(yīng)用等不同系統(tǒng)級別的優(yōu)勢,。

圖6  FMF750DC-66A在不同系統(tǒng)級別的優(yōu)勢

4. 結(jié)論

基于最先進(jìn)的LV100封裝技術(shù),，三菱電機(jī)在3.3 kV電壓等級開發(fā)了額定電流750 A的全碳化硅MOSFET模塊。

FMF750DC-66A通過提高開關(guān)頻率和實(shí)現(xiàn)175°C最高結(jié)溫,，有效提高了變換器的功率密度,。此外，該模塊能夠?qū)崿F(xiàn)更高的系統(tǒng)效率,，尤其是在部分負(fù)載條件下或整流模式運(yùn)行時(shí),，F(xiàn)MF750DC-66A可將變換器損耗降低50~80％。

FMF750DC-66A與同級別硅基器件采用相同的低雜散電感LV100封裝,。對于變換器制造商來說,，這簡化了從硅基器件轉(zhuǎn)換到全碳化硅器件的過程并提供了極大的靈活性。

參考文獻(xiàn)

[1] E. Thal and J. Yamada, 'SiC Power Modules for a Wide Application Range,' Bodo's Power Systems, Sep 2017. 

[2] Mitsubishi Electric, Mitsubishi Electric Installs Railcar Traction System with All-SiC Power Modules on Shinkansen Bullet Trains, Press Release No. 2942, June 2015. 

[3] L. Luise and others, Design Optimization and Testing of High-Performance Motors: Evaluating a Compromise Between Quality Design Development and Production Costs of a Halbach-Array PM Slotless Motor, IEEE Industry Applications Magazine, 2016. 

[4] M. Claessen, D. Dujic, F. Canales, J. K. Steinke, P. Stefanutti and C. Vetterli, Traction transfomration - A power-electronic traction transformer, ABB review, 01/2012.

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