碳化硅 (SiC) 元件能夠為電力輸送系統實現更高的效率和可靠性，尤其是對并網型且幾乎全天候運行的逆變器和有源整流器。由于行業正在尋找更環保的解決方案，例如太陽能和電動汽車 (EV) 充電領域，對于更高效率和更可靠元件的需求也愈發旺盛。
由于 SiC 技術的進步，并網型系統能夠從更高的功率密度、更快的開關速度、更低的運行溫度和更低的整體成本中獲益。除了太陽能/風能/混合能和 EV 充電外，其他高功率應用，例如工業設備、不間斷電源以及其他電源應用等也催生了對更高功率因數校正 (PFC) ，以及雙向能量流動等其他能力的需求。
Wolfspeed 推出了多種創新產品和包含參考設計以及仿真軟件的工具集，能夠賦能并網型應用。本文將探討如何選擇與應用相匹配的器件和拓撲方式，以及能利用哪些 SiC 元器件（分立式器件或模塊）和資源協助設計人員進行開發。
并網型應用的器件和拓撲選擇
高功率應用對于 PFC 的需求增加已經持續數十年，始于包含 LC 元件的橋式（二極管）整流器。雖然傳統配置實施起來非常簡單，但性能和尺寸曾是關鍵限制因素。目前，有源升壓 PFC 拓撲已被大部分應用所采用，它能夠以合理的成本提供合適的性能，但是僅能提供單向功率流動（對其應用范圍造成了限制），而且無法滿足當今最新的高效標準。
連續導通模式無橋圖騰柱 PFC（圖 1）實現了較低的損耗、雙向功率流，并實現了高效性能，使得 SiC 技術能夠為功率轉換和傳輸市場實現轉型。
▲ 圖 1：無橋圖騰柱 PFC ，單相（左側）和三相（右側）
Si MOSFET 體二極管擁有較高的反向恢復電荷和時間（最新款 15 m? / 650 V 超級結 Si MOSFET（帶快速體二極管）在高溫下的 Qrr 約為 10,000 nC，Trr 為 500 ns），而 SiC MOSFET 的體二極管的數值要低得多，例如最新款 25 m? / 650 V SiC MOSFET 的該數值分別為 293 nC 和 22 ns。因為圖騰柱拓撲需要有出色的體二極管性能，Si MOSFET 由于其反向恢復時的 Qrr 和 Trr 較大，并不是實用的解決方案。雖然在單相和三相圖騰柱拓撲中可以使用絕緣柵雙極型晶體管 (IGBT)，但是其開關損耗和導通損耗較高，限制了最大開關頻率。多電平IGBT 變換器解決了部分開關問題，但需采用更復雜的控制方法，而且通常需要多個元器件和柵極驅動器，導致更高的系統成本。
SiC 可以實現簡單高效的拓撲，例如單相和三相圖騰柱拓撲，在實現更高的功率密度的基礎上還可以具備更多功能。它能夠降低開關損耗，可以運行更高的開關頻率，并可以提高功率密度，降低磁性元件的重量、尺寸和成本。得益于較低的導通電阻RDS(on) ，效率可以高達 99%。同時，由于元件較少，且控制形式簡單，能夠降低整體系統成本。
Wolfspeed SiC 產品組合通過分立式元件（低功率應用）和功率模塊（高功率應用）可支持多種功率應用（1 kW 至 600 kW 甚至更高）。電壓范圍涵蓋 650 V 至 1700 V 的共 50 多種產品，具備較高的拓撲靈活度，能夠滿足功率密度、效率和可拓展解決方案的規格。
根據不同的具體應用，分立式 SiC 器件或 SiC 功率模塊有助于實現基于不同功率等級和功能的設計。分立式 MOSFET 包含開爾文源極引腳，可以控制源極，使其旁路任何封裝導致的寄生參數（在開關過程中產生感生電壓）（見圖 2，了解使用“KS”引腳優化控制的示例）。
▲ 圖 2：經優化的 MOSFET 封裝 (TO-247-4L)，包含第四個開爾文源極引腳
對于高功率應用，WolfPACK 系列模塊能夠“直接”替換現有解決方案，同時充分利用經過優化的 SiC 性能，得到最大的載流能力（得益于雜散電感被最小化）。BM2、BM3、FM3 和 GM3 模塊采用久經檢驗應用的封裝形式，可以輕易的實現多貨源供給，而 XM3 和 HM3 是專為優化性能而設計的定制模塊，可發揮最佳性能，具備出色的電流能力。
結合 PLECS 模型使用 SpeedFit，可以幫助設計人員建模并模擬完整的電力電子設備系統來找到匹配的器件，包括進行熱/損耗建模并模擬數據表特征。這些仿真模型都是基于真實結果，可以提供獲得預期性能的視覺化演示（見圖 3）。
▲ 圖 3：SiC MOSFET 開關能量與漏極電流視覺圖像
此外，SpeedFit 可進行網絡在線仿真，它包含完整的模型庫，可通過額外的軟件實現設計靈活性。多種常用拓撲都已預加載，可使用準確的損耗模型快速仿真，從而驗證設計。
在為 SiC MOSFET 設計柵極驅動器時，必須考慮多個關鍵因素。下方列出了一些滿足 Wolfspeed SiC MOSFET 應用的典型規格：
隔離：共模瞬變抗擾度 (CMTI) 大于 100 kV/µs
絕緣：最大工作絕緣電壓 (VIORM)
驅動能力：達 5 A
傳輸延遲時間：50 ns 或更佳
通道失配時間：10 ns 或更佳
有源米勒鉗位
柵極電源電壓：15 V / -4 V
為了滿足這些標準，Wolfspeed 同時還提供了評估工具和資源，以幫助設計人員選擇合適的拓撲方式和器件。例如，Analog Devices 的 ADI AduM4146 是一款包含隔離單通道驅動器的參考設計，可驅動 Wolfspeed 的 SiC MOSFET，還包含 Silicon Labs 的 Si823Hx 隔離雙通道驅動器（可用于半橋方案）。Texas Instruments 的 UCC21710 能夠提供達 10 A 的驅動能力。所有這些組件集成在現成、即插即用的平臺上，可評估 Wolfspeed SiC MOSFET。
Wolfspeed 參考設計/套件，以及 SiC 與 IGBT 的比較
CRD-06600FF065N-K 是一款可配置為電動汽車充電應用的單相 6.6 kW 雙向車載充電機 (OBC) 的參考設計，同時還可作為“可并網”的電力儲能裝置。其包含圖騰柱 PFC (AC/DC) 級和隔離雙向 CLLC DC/DC 級，系統峰值效率可達 96.5%，功率密度達 3.3 kW/L（見圖 4）。對于正在開發中的電動汽車和并網儲能應用來說，這款設計是絕佳的出發點，其能夠對 Wolfspeed 分立元件進行完整的評估和測試，同時包含一套設計文件，包括設計原理圖/布局圖以及相關硬件。
▲ 圖 4：CRD-06600FF06N-K 參考設計圖 單相 6.6 kW 雙向 OBC
在開發過程中，還可參考另一款高效（在 22 kW 時為 98.5%）高功率、三相雙向充電機設計，可用于評估分立式元件并提供設計指南。這款設計包含 Wolfspeed 的 1,200 V 32 mΩ SiC MOSFET，配置在兩電平六開關 PFC/逆變器中。
對于需要使用多個 MOSFET 的高功率應用，可以考慮使用 WolfPACK 功率模塊。例如，25 kW 有源前端 (AFE) 可以使用 FM3 系列模塊（包含六個 SiC MOSFET），可與適當的散熱片、磁性元件、柵極驅動器、電壓/電流傳感器以及控制器配合使用。此外，建議添加一些安全相關的功能，例如軟啟動、保險絲以及 EMI/EMC 濾波器。圖 5 示出了該配置圖（MOSFET 位于“功率級”）。采用相同的配置，對 WolfPACK FM3 模塊以及Si IGBT進行對比測試，測試發現，SiC 的開關頻率可以高達 5 倍（最高達100 kHz），其損耗降低超過 400 W（運行條件為 25 kW，480 V 輸入和 800 V 輸出）。采用 SiC 獲得的性能提升還帶來了一些額外優勢，例如濾波器尺寸更小、整體效率更高（比 IGBT 高 2%），運營成本更低。
▲ 圖 5：WolfPACK FM3 功率模塊（左側） 以及適用該模塊的 25 kW AFE 配置
對更高功率 (200 kW) 的 AFE/逆變器進行了類似的比較實驗。與現有 Si IGBT 解決方案相比，CAB400M12XM3 SiC 模塊能夠顯著降低損耗、尺寸和成本，這是由于其開關頻率升高且元件（磁性元件、電容器和散熱元件）尺寸更小。比較性能后我們發現，當運行在 100 kW 到 300 kW 條件中時，XM3 模塊的整體損耗較為平穩，約為不到 1,000 W。同時，在 200 kW 輸出條件下，效率提高約 0.75%。XM3 組件可以作為核心元件進行購買，包括散熱、驅動器、控制器和傳感元件。圖 6 為使用 SiC 技術的 200kW AFE / 逆變器和目前使用 Si IGBT 元件解決方案的尺寸比較。
▲ 圖 6：Si IGBT 解決方案（左）和 SiC 解決方案（右）的尺寸比較
磁性元件、PCB/系統布局，以及如何優化以獲得最佳效率
在開發高功率電源的過程中，需要考慮磁性元件對于功率密度和效率的影響。在高開關頻率運行下（由 SiC 實現），磁芯和繞組的功率密度會提高，而損耗會降低，這就意味著效率更高。通常情況下，考慮到性能和系統成本時往往需要折中，但使用 SiC MOSFET 有助于提高性能，降低損耗。在選擇應用的電感時，需要考慮材磁芯料和構造。一些構造欠佳的電感會有明顯的“邊緣效應”，會由于渦流而帶來額外的功率損耗。
圖 7 為電感器及其參數和性能的比較列表。在磁芯損耗、直流偏壓、頻率范圍和功能之間需要進行折中。
▲ 圖 7：電感器參數和性能比較
高能量的開關行為會造成 PCB 走線和節點的 dV/dt 和 di/dt 顯著變化。在設計 PCB 布局時，將漏極節點的Pad尺寸最小化，以降低耦合及寄生電容，同時使敏感信號源遠離高 dV/dt 走線/節點以及磁場（例如 PFC 扼流圈），這十分重要。
當高功率漏極平面靠近柵極走線線/pad時，會形成寄生電容，導致嚴重的功率損耗。例如，800 V 母線 上的 1 cm2 的 PCB 走線重疊區域在 100 kHz 運行條件下會造成 38 pF 的寄生電容，造成 1.2 W 的損耗（見圖 8）。而開關損耗由于柵極電荷的升高而升高，最終會影響效率。當柵極附近（柵極分別與源極和漏極之間）存在雜散電容時，且當兩者之間的比例較大時，會形成串擾，導致直通和更高的電壓尖峰。柵極信號處增加電容（外部柵極電阻的另一端）會加劇柵極震蕩，降低整體可靠性。通過減少走線長度、留意敏感走線和可能出現的高 dV/dt 和 di/dt、妥善布置功率元件，避免在柵極、柵極驅動電路、柵極驅動器電源和 MOSFET 漏極之間形成重疊，便能夠將這些雜散電容最小化。上述參考設計是 SiC 應用經優化布局實踐的良好示例。
▲ 圖 8：PCB 上的寄生電容的解釋（帶 SiC MOSFET 信號）
對于包含功率模塊的系統，可以使用同樣的優化方法。在使用以較高開關速度運行的功率模塊和匯流排時，最小化整體雜散電感，從而盡可能提高效率，這十分重要。對于 IGBT 逆變器，由于開關速度有限，雜散電感不會有如此重大影響，但對于 SiC 逆變器，應優化母線排和電容器的設計和選擇，從而充分利用其優勢；圖 9 的圖表比較了這兩者，顯示了創新設計選擇如何能夠顯著降低雜散電感。
▲ 圖 9：比較 SiC 和 IGBT 逆變器功率元件的典型雜散電感圖表
此外，在布局功率模塊以及其它系統元件時，建議將每個模塊和電容器之間的電感保持相同，同時采用較大的表面積，從而幫助散熱。最好能為直流匯流排采用疊層銅排（反向抵消效應）。
結論
Wolfspeed SiC 分立式和功率模塊能夠為并網型轉換器應用帶來出色的系統級優勢，包括承載更高的電壓、更快的開關頻率、更高的功率密度和載流能力，能夠整體提高系統效率，同時降低無源器件件的材料清單成本。Wolfspeed 擁有適用于多種不同應用的豐富器件和網絡在線工具，能夠幫助客戶評估器件，還能提供諸多參考設計，加速產品上市時間，讓設計人員倍感心安。
英文原稿：https://www.wolfspeed.com/knowledge-center/article/silicon-carbide-in-grid-tied-applications/
