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扩增全碳化矽功率模组阵容 协助高功率应用程序
 

【作者: ROHM】2017年05月17日 星期三

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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,在类似功率模组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矽构成内建型功率半导体元件的全SiC功率模组。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模组市场中成功扩增涵盖100A到600A等主要额定电流范围的全SiC模组阵容,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额定的全碳化矽﹙Full SiC﹚功率模组BSM400D12P3G002 、BSM600D12P3G001。


本产品藉由独家研发模组内部构造及散热设计的最佳化封装达到额定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模组减少了64%(晶片温度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,周边可选用较小元件,开关损耗亦大幅降低,协助冷却系统的小型化。例如,在冷却系统损耗模拟的试算下,相较于同等额定电流的IGBT模组,使用SiC模组可以让水冷散热器﹙water heat sink﹚小型化88%。本模组从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
图一

由于成功研发出搭配ROHM制SiC-SBD和SiC-MOSFET的全SiC功率模组,开关损耗比一般同等额定电流的IGBT模组减少了64%(晶片温度为摄氏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,周边元件小型化


图二
图二

在PWM变频器驱动时的损耗模拟中,若将该开关频率所导致的损耗与同等额定电流的IGBT模组进行比较,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元件的小型化。


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
图三 : 开关损耗vs.突波电压

为了谋求功率模组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
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组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模组同?,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): 绝缘闸极型双极性电晶体。将MOSFET嵌入闸极的双极性电晶体。


4.MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor): 意指金属氧化物半导体场效电晶体,在FET中最普遍被使用的构造,可作为开关元件使用。


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(二极体特性)的二极体。特征是无少数载子堆积效应、高速性卓越。


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