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擴增全碳化矽功率模組陣容 協助高功率應用程序
 

【作者: ROHM】   2017年05月17日 星期三

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近年SiC由於節能效果卓越,廣為汽車或工具機等所採用,並可望有更大功率的產品陣容。而為了百分百活用SiC產品所具有的獨特高速開關性能,在類似功率模組產品等額定電流大的產品方面,尤其需要研發新封裝以抑制開關時突波電壓﹙surge voltage﹚的影響。


半導體製造商ROHM於2012年3月率先開始量產由全碳化矽構成內建型功率半導體元件的全SiC功率模組。之後陸續推出高達1200V、300A額定電流的產品,廣為各種不同領域所採用。本次使用新研究封裝在IGBT模組市場中成功擴增涵蓋100A到600A等主要額定電流範圍的全SiC模組陣容,可望進一步擴大需求。


ROHM針對工具機用電源、太陽能發電功率調節器﹙Power Conditioner﹚或UPS等變頻器﹙inverter﹚、轉換器﹙converter﹚業已研發出1200V 400A、600A額定的全碳化矽﹙Full SiC﹚功率模組BSM400D12P3G002、BSM600D12P3G001。


本產品藉由獨家研發模組內部構造及散熱設計的最佳化封裝達到額定600A,因此可進一步探討工具機用大容量電源等更高功率應用程序。而且,由於開關損耗也比一般同等額定電流的IGBT模組減少了64%(晶片溫度150℃時),因此有助於應用程序的節能化。此外,由於可以進行高頻率驅動,周邊可選用較小元件,開關損耗亦大幅降低,協助冷卻系統的小型化。例如,在冷卻系統損耗模擬的試算下,相較於同等額定電流的IGBT模組,使用SiC模組可以讓水冷散熱器﹙water heat sink﹚小型化88%。本模組從6月起開始進行樣品出貨?量產。


產品特色

大幅降低開關損耗,有助於裝置的節能


圖一
圖一

由於成功研發出搭配ROHM製SiC-SBD和SiC-MOSFET的全SiC功率模組,開關損耗比一般同等額定電流的IGBT模組減少了64%(晶片溫度為攝氏150時),可降低應用程序的功率變換損耗,有助於節能。


高頻率驅動,周邊元件小型化


圖二
圖二

在PWM變頻器驅動時的損耗模擬中,若將該開關頻率所導致的損耗與同等額定電流的IGBT模組進行比較,則5kHz驅動時為30%,20kHz驅動時為55%,總損耗將進一步大幅降低。在20kHz驅動的情況下,可以使假設及必要的散熱器尺寸小型化88%。


加上,由於可高頻率驅動,可使用較小型周邊被動元件的小型化。


為達大電流化的技術重點

大幅降低封裝內部電感


圖三 :  開關損耗vs.突波電壓
圖三 : 開關損耗vs.突波電壓

為了謀求功率模組產品的大額定電流化,開關動作時的突波電壓會變大,故有必要降低封裝﹙package﹚內部的電感﹙inductance﹚。此次藉由配置內建型SiC裝置或使內部配置、端子構造等優化,內部電感因而比傳統產品約減低了23%。由於新研發的封裝G型比傳統封裝更抑制了27%相同損耗時的突波電壓,因此產品化的規模將達到額定400A、600A。並且,在同等突波電壓驅動條件下,採用新封裝還可以降低24%的開關損耗。


大幅提升封裝的散熱性


圖四 :  Case與Fin間熱阻抗
圖四 : Case與Fin間熱阻抗

為了達到額定600A的大電流化,除了內部電感的阻抗外,還必須降低散熱性。新產品藉由加強對模組散熱性至為重要之底板部分的平坦性,可以降低57%底板與客戶所安裝之冷卻裝置間的熱阻抗。


此外,與過去所介紹的SiC模組同?,也備有輕鬆進行產品評估的評估用驅動型閘極驅動板﹙gate drive board﹚。


名詞解釋

1.電感﹙inductance﹚: 使流動電流變化時表示電磁感應﹙electromagnetic induction﹚所發生之電動勢﹙electromotive force﹚大小的量。


2.突波電壓﹙surge voltage﹚: 意指在電流穩定流動的電路中突然激烈變動的電壓。本篇文章特指MOSFET之開關切off時所發生的電壓。


3.IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor): 絕緣閘極型雙極性電晶體。將MOSFET嵌入閘極的雙極性電晶體。


4.MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor): 意指金屬氧化物半導體場效電晶體,在FET中最普遍被使用的構造,可作為開關元件使用。


5.SBD(Schottky Barrier Diode): 透過使金屬和半導體接觸形成蕭特基接面來取得整流性(二極體特性)的二極體。特徵是無少數載子堆積效應、高速性卓越。


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