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SiC碳化硅MOSFET在储能变流器PCS中的应用

2024-06-02来源:优连会_食品机械平台
核心摘要:基本(BASiC Semiconductor)第二代SiC碳化硅MOSFET在储能变流器PCS中的应用IGBT芯片技术不断发展,但是从一代芯片到下一代芯片
 基本™(BASiC Semiconductor)第二代SiC碳化硅MOSFET在储能变流器PCS中的应用
 
IGBT芯片技术不断发展,但是从一代芯片到下一代芯片获得的改进幅度越来越小。这表明IGBT每一代新芯片都越来越接近材料本身的物理极限。SiC MOSFET宽禁带半导体提供了实现半导体总功率损耗的显著降低的可能性。使用SiC MOSFET可以降低开关损耗,从而提高开关频率。进一步的,可以优化滤波器组件,相应的损耗会下降,从而全面减少系统损耗。通过采用低电感SiC MOSFET功率模块,与同样封装的Si IGBT模块相比,功率损耗可以降低约70%左右,可以将开关频率提5倍(实现显著的滤波器优化),同时保持最高结温低于最大规定值。
 
为了保持电力电子系统竞争优势,同时也为了使最终用户获得经济效益,一定程度的效率和紧凑性成为每一种电力电子应用功率转换应用的优势所在。随着IGBT技术到达发展瓶颈,加上SiC MOSFET绝对成本持续下降,使用SiC MOSFET替代升级IGBT已经成为各类型电力电子应用的主流趋势。
 
适用于储能变流器PCS的国产高可靠性碳化硅(SiC)MOSFET-倾佳电子(Changer Tech)专业分销
 
倾佳电子(Changer Tech)致力于国产碳化硅(SiC)MOSFET功率器件在电力电子市场的推广!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!
 
对于通用应用,SiC 功率器件可以替代 Si IGBT,从而将开关损耗降低高达 70% 至 80%,具体取决于转换器和电压和电流水平。IGBT 相关的较高损耗可能成为一个重要的考虑因素。热管理会增加使用 IGBT 的成本,而其较慢的开关速度会增加电容器和电感器等无源元件的成本。从整体系统成本来看SiC MOSFET加速替代IGBT已经成为各类新的电力电子设计中的主流趋势。SiC MOSFET 更耐热失控。碳化硅导热性更强,可实现更好的设备级散热和稳定的工作温度。
 
Si IGBT 的一个显著缺点是它们极易受到热失控的影响。当器件温度不受控制地升高时,就会发生热失控,导致器件发生故障并最终失效。在高电流、高电压和高工作条件很常见的电机驱动应用中,例如电动汽车或制造业,热失控可能是一个重大的设计风险。SiC MOSFET 更适合温度较高的环境条件空间,例如汽车和工业应用。此外,鉴于其导热性,SiC MOSFET 可以消除对额外冷却系统的需求,从而有可能减小整体系统尺寸并降低系统成本。由于 SiC MOSFET 的工作开关频率比 Si IGBT 高得多,因此它们非常适合需要精确电机控制的应用。高开关频率在自动化制造中至关重要,其中高精度伺服电机用于工具臂控制、精密焊接和精确物体放置。
 
SiC 功率器件的卓越材料特性使这些器件能够以更快的开关速度、更低的开关损耗和更薄的有源区运行,从而实现效率更高、开关频率更高、更节省空间的设计。因此,SiC MOSFET 正成为电源转换应用中优于传统硅(IGBT,MOSFET)的首选。
 
基本™(BASiC Semiconductor)第二代SiC碳化硅MOSFET两大主要特色:
1.出类拔萃的可靠性:相对竞品较为充足的设计余量来确保大规模制造时的器件可靠性。
基本™(BASiC Semiconductor)第二代SiC碳化硅MOSFET 1200V系列击穿电压BV值实测在1700V左右,高于市面主流竞品,击穿电压BV设计余量可以抵御碳化硅衬底外延材料及晶圆流片制程的摆动,能够确保大批量制造时的器件可靠性,这是基本™(BASiC Semiconductor)第二代SiC碳化硅MOSFET最关键的品质. 基本™(BASiC Semiconductor)第二代SiC碳化硅MOSFET雪崩耐量裕量相对较高,也增强了在电力电子系统应用中的可靠性。
2.可圈可点的器件性能:同规格较小的Crss带来出色的开关性能。
基本™(BASiC Semiconductor)第二代SiC碳化硅MOSFET反向传输电容Crss 在市面主流竞品中是比较小的,带来关断损耗Eoff也是非常出色的,优于部分海外竞品,特别适用于LLC应用,典型应用如充电桩电源模块后级DC-DC应用。
 
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:输入电容(Ciss=Cgd+Cgs) ⇒栅极-漏极和栅极-源极电容之和:它影响延迟时间;Ciss越大,延迟时间越长。基本™(BASiC Semiconductor)第二代SiC碳化硅MOSFET 优于主流竞品。
Crss:反向传输电容(Crss=Cgd) ⇒栅极-漏极电容:Crss越小,漏极电流上升特性越好,这有利于MOSFET的损耗,在开关过程中对切换时间起决定作用,高速驱动需要低Crss。
Coss:输出电容(Coss=Cgd+Cds)⇒栅极-漏极和漏极-源极电容之和:它影响关断特性和轻载时的损耗。如果Coss较大,关断dv/dt减小,这有利于噪声。但轻载时的损耗增加。
 
基本™B2M第二代碳化硅MOSFET器件主要特色:
• 比导通电阻降低40%左右
• Qg降低了60%左右
• 开关损耗降低了约30%
• 降低Coss参数,更适合软开关
• 降低Crss,及提高Ciss/Crss比值,降低器件在串扰行为下误导通风险
• 最大工作结温175℃• HTRB、 HTGB+、 HTGB-可靠性按结温Tj=175℃通过测试
• 优化栅氧工艺,提高可靠性
• 高可靠性钝化工艺
• 优化终端环设计,降低高温漏电流
• AEC-Q101
 
倾倾佳电子(Changer Tech)专业分销的基本™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。适用大功率电力电子装置的SiC MOSFET模块,半桥SiC MOSFET模块,ANPC三电平碳化硅MOSFET模块,T型三电平模块,MPPT BOOST SiC MOSFET模块。
B2M032120Y国产替代英飞凌IMZA120R030M1H,安森美NTH4L030N120M3S以及C3M0032120K。
B2M040120Z国产替代英飞凌IMZA120R040M1H,安森美NTH4L040N120M3S,NTH4L040N120SC1以及C3M0040120K,意法SCT040W120G3-4AG。
B2M020120Y国产替代英飞凌IMZA120R020M1H,安森美NTH4L020N120SC1,NTH4L022N120M3S以及C3M0021120K,意法SCT015W120G3-4AG。
B2M065120H国产代替安森美NTHL070N120M3S。
B2M065120Z国产代替英飞凌IMZ120R060M1H,安森美NVH4L070N120M3S,C3M0075120K-A,意法SCT070W120G3-4AG。
B2M160120Z国产代替英飞凌AIMZHN120R160M1T,AIMZH120R160M1T
B2M080120Z国产代替英飞凌AIMZHN120R080M1T,AIMZH120R080M1T
B2M080120R国产代替英飞凌IMBG120R078M2H
B2M040120Z国产替代英飞凌AIMZHN120R040M1T,AIMZH120R040M1T
B2M040120R国产替代英飞凌IMBG120R040M2H
B2M018120R国产替代英飞凌IMBG120R022M2H
B2M018120Z国产替代英飞凌AIMZH120R020M1T,AIMZH120R020M1T
B2M065120Z国产替代英飞凌AIMZHN120R060M1T,AIMZH120R060M1T
 
 
储能变流器(PCS),又称双向储能逆变器,是储能系统与电网中间实现电能双向流动的核心部件,用作控制电池的充电和放电过程,进行交直流的变换。在电池储能系统中成本约占比15%-20%,是电池储能系统的关键核心环节。
PCS可分为5类=光伏3类(集中、组串、微逆)+储能2类(储能变流器、一体机), 以及模块化储能变流器、工商业储能一体机.
SiC碳化硅器件具备耐高压、耐高温、体积小、响应速度快等特点,使得PCS在额定功率工况下,平均效率提升1%+,模块功率密度整体提升25%+。
国内大储领域储能变流器PCS的技术路线主要有五种:分别是集中式、组串式、组串式+DCDC、集散式、中高压级联。
集中式PCS是国内大储项目应用最多的技术路线,市场占比整体突破了90%,且架构简单、施工安装及维护成本低。组串式则可以实现一对一簇级管理,最大程度解决环流问题,提高直流侧容量利用率;而且可以实现模块化设计、灵活堆叠,比较好的适配国内比较火的工商业储能复杂工况。
组串式(两级变换)PCS在单级变换组串式基础上集成DC/DC变换器,直流系统适应强。但其两级变换系统复杂,系统效率低于85%,且成本较高;集散式PCS采用集中式PCS+DCDC变换器,实现直流侧解耦,缓解并联环流带来的问题,主要应用于国外市场;中高压级联PCS系统无需变压器,效率可达到88%+,目前市场占有率低,35kV直挂项目尚处于示范性阶段。
 
使用碳化硅(SiC)功率器件的储能变流器(PCS)具有以下几方面的优势:
 
高效率:SiC功率器件具有更低的导通损耗和开关损耗,这使得储能变流器的整体效率显著提高。这在高频率操作时尤为显著,因为SiC器件能够更有效地管理高频开关,从而减少能量损失。
 
高温性能:SiC材料具有更高的热导率和耐高温特性,这意味着SiC功率器件可以在更高的温度下运行而不损坏。这降低了对冷却系统的要求,从而减小了系统的体积和成本。
 
高功率密度:由于SiC器件的高效率和高温性能,储能变流器可以设计得更加紧凑,提供更高的功率密度。这对需要节省空间和重量的应用场景非常重要,如电动汽车和便携式储能系统。
 
更快的开关速度:SiC功率器件的开关速度比传统的硅(Si)器件快得多。这不仅提高了效率,还减少了电磁干扰(EMI)问题,因为更快的开关速度可以实现更干净的切换。
 
更高的电压阻断能力:SiC器件通常能够承受更高的电压,这使得它们在高电压应用中非常有用,如高压直流输电(HVDC)和大型储能系统。
 
系统成本降低:尽管SiC功率器件的初始成本较高,但其高效能、高功率密度和减少的冷却需求,可以在系统级别上降低整体成本。这包括更少的散热器、更小的滤波器和更少的元件数。
 
综上所述,采用碳化硅功率器件的储能变流器在提高效率、减少体积、提升可靠性和降低整体系统成本方面具有显著优势。这些特点使得SiC功率器件在高要求的储能和电力转换应用中越来越受到青睐。
 
倾佳电子(Changer Tech)专业分销基本™国产车规级碳化硅(SiC)MOSFET,国产车规级AEC-Q101碳化硅(SiC)MOSFET,国产车规级PPAP碳化硅(SiC)MOSFET,全碳化硅MOSFET模块,Easy封装全碳化硅MOSFET模块,62mm封装全碳化硅MOSFET模块,Full SiC Module,SiC MOSFET模块适用于超级充电桩,V2G充电桩,高压柔性直流输电智能电网(HVDC),空调热泵驱动,机车辅助电源,储能变流器PCS,光伏逆变器,超高频逆变焊机,超高频伺服驱动器,高速电机变频器等,光伏逆变器专用直流升压模块BOOST Module,储能PCS变流器ANPC三电平碳化硅MOSFET模块,光储碳化硅MOSFET。专业分销基本™SiC碳化硅MOSFET模块及分立器件,全力支持中国电力电子工业发展!
 
汽车级全碳化硅功率模块是基本™(BASiC Semiconductor)为新能源汽车主逆变器应用需求而研发推出的系列MOSFET功率模块产品,包括Pcore™6‍汽车级HPD模块、‍Pcore™2‍汽车级DCM模块、‍Pcore™1‍汽车级TPAK模块、Pcore™2‍汽车级ED3模块等,采用银烧结技术等基本™(BASiC Semiconductor)最新的碳化硅 MOSFET 设计生产工艺,综合性能达到国际先进水平,通过提升动力系统逆变器的转换效率,进而提高新能源汽车的能源效率和续航里程。主要产品规格有:BMS800R12HWC4_B02,BMS600R12HWC4_B01,BMS950R12HWC4_B02,BMS700R12HWC4_B01,BMS800R12HLWC4_B02,BMS600R12HLWC4_B01,BMS950R12HLWC4_B02,BMS700R12HLWC4_B01,BMF800R12FC4,BMF600R12FC4,BMF950R08FC4,BMF700R08FC4,BMZ200R12TC4,BMZ250R08TC4
 
倾佳电子(Changer Tech)专业分销基本™(BASiC Semiconductor)碳化硅(SiC)MOSFET专用双通道隔离驱动芯片BTD25350,原方带死区时间设置,副方带米勒钳位功能,为碳化硅功率器件SiC MOSFET驱动而优化。
BTD25350适用于以下碳化硅功率器件应用场景:
充电桩中后级LLC用SiC MOSFET 方案
光伏储能BUCK-BOOST中SiC MOSFET方案
高频APF,用两电平的三相全桥SiC MOSFET方案
空调压缩机三相全桥SiC MOSFET方案
OBC后级LLC中的SIC MOSFET方案
服务器交流侧图腾柱PFC高频臂GaN或者SiC方案
  
碳化硅MOSFET具有优秀的高频、高压、高温性能,是目前电力电子领域最受关注的宽禁带功率半导体器件。在电力电子系统中应用碳化硅MOSFET器件替代传统硅IGBT器件,可提高功率回路开关频率,提升系统效率及功率密度,降低系统综合成本。
 
基本™第二代碳化硅MOSFET系列新品基于6英寸晶圆平台进行开发,比上一代产品在比导通电阻、开关损耗以及可靠性等方面表现更为出色。在原有TO-247-3、TO-247-4封装的产品基础上,基本™还推出了带有辅助源极的TO-247-4-PLUS、TO-263-7及SOT-227封装的碳化硅MOSFET器件,以更好地满足客户需求。
 
基本™第二代碳化硅MOSFET亮点
更低比导通电阻:第二代碳化硅MOSFET通过综合优化芯片设计方案,比导通电阻降低约40%,产品性能显著提升。
 
更低器件开关损耗:第二代碳化硅MOSFET器件Qg降低了约60%,开关损耗降低了约30%。反向传输电容Crss降低,提高器件的抗干扰能力,降低器件在串扰行为下误导通的风险。
 
更高可靠性:第二代碳化硅MOSFET通过更高标准的HTGB、HTRB和H3TRB可靠性考核,产品可靠性表现出色。
 
更高工作结温:第二代碳化硅MOSFET工作结温达到175°C,提高器件高温工作能力。
 
碳化硅 (SiC) MOSFET出色的材料特性使得能够设计快速开关单极型器件,替代升级双极型 IGBT  (绝缘栅双极晶体管)开关。碳化硅 (SiC) MOSFET替代IGBT可以得到更高的效率、更高的开关频率、更少的散热和节省空间——这些好处反过来也降低了总体系统成本。SiC-MOSFET的Vd-Id特性的导通电阻特性呈线性变化,在低电流时SiC-MOSFET比IGBT具有优势。
与IGBT相比,SiC-MOSFET的开关损耗可以大幅降低。采用硅 IGBT 的电力电子装置有时不得不使用三电平拓扑来优化效率。当改用碳化硅 (SiC) MOSFET时,可以使用简单的两级拓扑。因此所需的功率元件数量实际上减少了一半。这不仅可以降低成本,还可以减少可能发生故障的组件数量。SiC MOSFET 不断改进,并越来越多地加速替代以 Si IGBT 为主的应用。 SiC MOSFET 几乎可用于目前使用 Si IGBT 的任何需要更高效率和更高工作频率的应用。这些应用范围广泛,从太阳能和风能逆变器和电机驱动到感应加热系统和高压 DC/DC 转换器。
 
随着自动化制造、电动汽车、先进建筑系统和智能电器等行业的发展,对增强这些机电设备的控制、效率和功能的需求也在增长。碳化硅 MOSFET (SiC MOSFET) 的突破重新定义了历史上使用硅 IGBT (Si IGBT) 进行功率逆变的电动机的功能。这项创新扩展了几乎每个行业的电机驱动应用的能力。Si IGBT 因其高电流处理能力、快速开关速度和低成本而历来用于直流至交流电机驱动应用。最重要的是,Si IGBT 具有高额定电压、低电压降、低电导损耗和热阻抗,使其成为制造系统等高功率电机驱动应用的明显选择。然而,Si IGBT 的一个显着缺点是它们非常容易受到热失控的影响。当器件温度不受控制地升高时,就会发生热失控,导致器件发生故障并最终失效。在高电流、电压和工作条件常见的电机驱动应用中,例如电动汽车或制造业,热失控可能是一个重大的设计风险。
 
电力电子转换器提高开关频率一直是研发索所追求的方向,因为相关组件(特别是磁性元件)可以更小,从而产生小型化优势并节省成本。然而,所有器件的开关损耗都与频率成正比。IGBT 由于“拖尾电流”以及较高的门极电容的充电/放电造成的功率损耗,IGBT 很少在 20KHz 以上运行。SiC MOSFET在更快的开关速度和更低的功率损耗方面提供了巨大的优势。IGBT 经过多年的高度改进,使得实现性能显着改进变得越来越具有挑战性。例如,很难降低总体功率损耗,因为在传统的 IGBT 设计中,降低传导损耗通常会导致开关损耗增加。
 
作为应对这一设计挑战的解决方案,SiC MOSFET 具有更强的抗热失控能力。碳化硅 的导热性更好,可以实现更好的设备级散热和稳定的工作温度。SiC MOSFET 更适合较温暖的环境条件空间,例如汽车和工业应用。此外,鉴于其导热性,SiC MOSFET 可以消除对额外冷却系统的需求,从而有可能减小总体系统尺寸并降低系统成本。
 
由于 SiC MOSFET 的工作开关频率比 Si IGBT 高得多,因此它们非常适合需要精确电机控制的应用。高开关频率在自动化制造中至关重要,高精度伺服电机用于工具臂控制、精密焊接和精确物体放置。此外,与 Si IGBT 电机驱动器系统相比,SiC MOSFET 的一个显着优势是它们能够嵌入电机组件中,电机控制器和逆变器嵌入与电机相同的外壳内。使用SiC MOSFET 作为变频器或者伺服驱动功率开关器件的另一个优点是,由于 MOSFET 的线性损耗与负载电流的关系,它可以在所有功率级别保持效率曲线“平坦”。SiC MOSFET变频伺服驱动器的栅极电阻的选择是为了首先避免使用外部输出滤波器,以保护电机免受高 dv/dt 的影响(只有电机电缆长度才会衰减 dv/dt)。 SiC MOSFET变频伺服驱动器相较于IGBT变频伺服驱动器在高开关频率下的巨大效率优越性.
 
尽管 SiC MOSFET 本身成本较高,但某些应用可能会看到整个电机驱动器系统的价格下降(通过减少布线、无源元件、热管理等),并且与 Si IGBT 系统相比总体上可能更便宜。这种成本节省可能需要在两个应用系统之间进行复杂的设计和成本研究分析,但可能会提高效率并节省成本。基于 SiC 的逆变器使电压高达 800 V 的电气系统能够显着延长电动汽车续航里程并将充电时间缩短一半。
 
碳化硅 (SiC) MOSFET功率半导体技术代表了电力电子领域的根本性变革。SiC MOSFET 的价格比 Si MOSFET 或 Si IGBT 贵。然而,在评估碳化硅 (SiC) MOSFET提供的整体电力电子系统价值时,需要考虑整个电力电子系统和节能潜力。需要仔细考虑以下电力电子系统节省: 第一降低无源元件成本,无源功率元件的成本在总体BOM成本中占主导地位。提高开关频率提供了一种减小这些器件的尺寸和成本的方法。 第二降低散热要求,使用碳化硅 (SiC) MOSFET可显着降低散热器温度高达 50%,从而缩小散热器尺寸和/或消除风扇,从而降低设备生命周期内的能源成本。 通常的诱惑是在计算价值主张时仅考虑系统的组件和制造成本。在考虑碳化硅 (SiC) MOSFET的在电力电子系统里的价值时,考虑节能非常重要。在电力电子设备的整个生命周期内节省能源成本是碳化硅 (SiC) MOSFET价值主张的一个重要部分。
(责任编辑:小编)
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