XVC768101 3BHB007211R101 2 kV SiC功率模块改造1500 V系统

　　由于可靠性、成本和系统级价值的逐步提高，截止电压高达1700 V的碳化硅已成为工业电源转换的主流。通过将最新一代SiC芯片的阻断电压提高到2000 V，出现了新的可能性。以前需要中压设备或多级拓扑的DC链路电压现在可以更轻松地处理。

　　碳化硅的最新电压等级使得1500 V级逆变器的电路拓扑发生了转变。凭借成熟的芯片技术、低开关损耗和标准封装，2 kV SiC功率模块将焕发新的活力可再生应用还有更多。

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　　1500 V转换器的设备

　　为了减少直流电流和相关的导体尺寸，许多应用已经看到DC链接电压的增加。在公用事业规模的太阳能发电场中，一项研究表明，500 V的电压增加实际上可以减少0.4%的DC损耗。这在农场的整个生命周期中节省了大量成本。密切相关的储能系统(ESS)受益于支持更高电压的新电池技术。在欧洲和北美，这一增加的上限是1500 V，如欧盟/IEC/UL标准和指令所规定的。

　　构建能够支持该DC链路电压的可靠的2电平转换器需要具有高于通常可获得的1700 V的阻塞电压的器件消费电子展= 3300 V)已经问世多年。然而，现代可再生能源应用有极高的效率要求。由于维持这种阻断电压所需的芯片厚度，这种中压硅器件具有相对较高的开关损耗。这导致了使用硅IGBTs的三电平转换器的流行，其阻断电压为950 V至1200 V。

　　相反，碳化硅的高击穿电场强度允许MOSFET制造得比等效额定硅IGBT更薄。这导致了一个众所周知的事实，即SiC器件的开关损耗比Si器件低得多。SiC MOSFETs的开关转换非常快，因此将阻塞电压从1200 V提高到2000 V只会略微增加开关损耗。这一点很重要，因为三电平转换器产生的输出电流中的有效纹波频率可能高达半导体开关频率的两倍。因此，使用2 kV SiC的2级解决方案的开关频率必须是3级解决方案中使用的1200 V Si器件的两倍(图1)。

　　图一。3级1200V Si与2级2000V SiC相脚。图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　2 kV碳化硅的优势

　　通过观察一个1 MW的转换器，很容易看出2 kV SiC功率模块可以降低尺寸。例如，1 MW、1500 VDC、690 VAC、三相ANPC逆变器可以由九个1400 A/1200 V IGBT半桥模块(例如SEMITRANS 20)构成。液体冷却和2.5 kHz的开关频率用于实现2000 cm的总散热器尺寸(图2)。

　　相同的功率转换器可以仅由三个以5 kHz开关的2 kV SiC半桥模块构成。该开关频率在输出端产生与3电平解决方案相同的纹波电流频率。从九个模块移动到三个模块可显著减少66%的占用空间。尺寸的减小显然意味着运输重量的降低和材料用量的减少。然而，这种尺寸的减小也带来了效率的提高——半导体总损耗降低了40%。对于本例，这意味着半导体效率比3级解决方案高0.4%，在充电和放电模式下均超过99%。

　　图二。2 kV SiC电源模块可减少占地面积。图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　虽然3电平转换器在现场已被证明是可靠的，但回到2电平转换器可以提高基于系统中电气元件数量计算的故障率(FIT)。当考虑将栅极驱动器通道从18个(3级)减少到6个(2级)时，情况尤其如此。由于不再需要采用总线电压平衡算法，控制也得以简化。

　　新应用

　　除了取代独立ESS中现有的1500 V拓扑结构，2 kV电源模块还为高功率EV充电器带来了机遇。卡车和越野车已经率先采用1000 V以上的电池电压。为了减少充电时间，需要的功率通常大于电网所能提供的功率。在这些情况下，集成1500 V ESS是有意义的。ESS提供能量储备，可通过DC/DC转换器快速转移至车辆蓄电池。由于变压器需要高频率，当需要隔离时，DC/DC拓扑可能会带来挑战。加上高电压，这意味着当前的解决方案在原边转换器上使用3电平SiC拓扑。2 kV SiC电源模块将这一输入简化为2电平H桥(图3)。为了适应灵活的电动汽车充电器应用(高电压或高电流)，输出保持为众所周知的双H桥配置。

　　图3。隔离式双有源电桥。图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　可用模块

　　塞米克朗丹佛斯为一系列功率模块配备了最新一代ROHM Gen. 4 2 kV碳化硅(图4)。这些器件具有之前推出的1200 V Gen. 4 SiC芯片的稳定性和驱动便利性，但阻断电压有所提高。

　　图4。2kV产品组合。图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　无基板半顶E2封装包含一个带R的半桥电路DS(on)_25C6.5mω或4.3mω。后者可用于(每相一个模块)构建超过200kW的液冷三相变流器。风冷设计甚至可以达到接近150千瓦，每相一个模块。精心设计的引脚排列，DC和交流端子在相对的两侧，便于并联。利用这种硬并联(或交错)方案，可以构建高达500 kW的三相液冷转换器。PCB安装的SEMITOP E2非常适合UPS系统和模块化ESS等模块化设计。针栅减小了回路面积，换向电感仅为6 nH。所有模块在生产结束时都经过测试，隔离电压为3800 V交流电(alternating current)/1s。

　　对于500 kW以上和MW范围内的设计，解决方案是新的工业标准SEMITRANS 20。一个SEMITRANS 20只有四个安装螺钉和一个大的芯片内部区域，包含一个2 kV MOSFET半桥，RDS(on)_25C= 1mω。SEMITRANS 20虽然很大，但由于其对称的内部布局，其典型的换向电感仅为10 nH。Semikron Danfoss利用其多年的银烧结经验，在芯片和基板之间提供无焊料连接。这大大有助于延长电源循环寿命。设计碳化硅器件需要一些专业知识。独特的栅极电压要求和高开关速度要求仔细设计驱动器，以避免振荡、EMI和直接损坏。在数千安培的高功率水平下，这甚至更为关键。Semikron Danfoss提供详细的应用说明和参考设计，以协助设计过程。但是为了尽快上市，有一个合格的和经过测试的智能功率模块，它集成了驱动器、SiC MOSFETs和散热器。SKiiP 4 SiC IPM的外形和功能与经过验证的带硅IGBTs的SKiiP 4 IPM相同，但配备了最新的2kV SiC MOSFETs。这使得用户可以非常容易地获得这种新芯片组的好处，而无需陡峭的学习曲线。半桥配置超过1800 A和900 A六包，这种IPM有足够的功率来创建紧凑的高功率转换器。此外，SKiiP 4 SiC IPM支持多家供应商的2 kV芯片组，从而提高了供应链的安全性。数字驱动器支持不同SiC芯片组所需的各种栅极驱动电压。凭借烧结芯片连接和铝铜焊线，SKiiP延续了作为电源循环能力标准的传统。