三菱電機正在開發全新的額定3.3 kV/750 A的全碳化硅MOSFET器件，該器件採用最新的LV100封裝，特別適用於牽引應用和模塊化變換器設計。本文將重點介紹這款全碳化硅器件以及說明其在牽引應用中的優勢。
作者：三菱歐洲 Dr. Nils Soltau，Eugen Wiesner
三菱日本Kenji Hatori，Hitoshi Uemura
1.概要
基於碳化硅材料的功率器件被認為是現代電力電子技術的重大革新。相較於傳統的硅基器件，碳化硅器件可實現更高效和更緊湊的變換器設計，以降低能耗和高成本材料的使用。
圖1 採用最新LV100封裝的3.3 kV/750 A全碳化硅器件
在過去的20年中，三菱電機開發並商業化了不同電壓等級和用於各種應用領域的碳化硅功率器件[1]。目前，得益於在機車牽引等應用領域中對碳化硅器件多年的現場應用經驗[2]，三菱電機開發出全新的全碳化硅2單元MOSFET模塊FMF750DC-66A，其額定電壓為3.3 kV，額定電流為750 A，特別適用於高性能牽引變流器和柔性變換器的設計。
由於快速開關瞬態特性，全碳化硅器件需要採用具有低雜散電感的合適封裝。如圖1所示，FMF750DC-66A採用了其所在電壓和功率等級的最先進封裝技術：LV100封裝，這種封裝內部雜散電感低於10 nH，且具有並聯連接簡單的特點。此外，該封裝的內部設計確保了模塊內部芯片之間的最佳電流分配。
2.與硅基器件對比
以下對FMF750DC-66A與2款硅基IGBT器件進行比較，其中這2款IGBT同樣採用LV100封裝且電壓等級均為3.3 kV，其額定電流分別為450 A和600 A，具體型號分別為CM450DA-66X和CM600DA-66X。這3款模塊的靜態特性對比結果如圖2所示，很好地說明了雙極型IGBT和單極型MOSFET之間的基本差異。應該注意的是，所有器件特性都在其各自的最大結溫給出，其中IGBT器件的為150°C，而FMF750DC-66A的為175°C。由於MOSFET的線性的電流-電壓關係特性，其小電流下的導通壓降比雙極型IGBT的低得多，如圖2（a）所示。如圖2（b）所示，與IGBT模塊中的續流二極管相比，如果二極管（SBD）和MOSFET都導通反向電流（同步整流模式），FMF750DC-66A的反向壓降相對IGBT器件的也小得多。特別是在低負載條件下，單極性器件能夠顯著提高變換器效率，隨後的章節以牽引應用為例對此進行量化體現。
圖2 全碳化硅模塊與硅基模塊的靜態特性對比
全碳化硅器件的另一個顯著優勢是開關損耗的降低，同樣這也是得益於單極性器件的特性。這類器件不存在反向恢復和拖尾電流，從而大幅降低開關損耗，並且允許相比硅基雙極性器件更高的開關頻率。圖3給出了器件導通、關斷和反向恢復期間的功耗總和。與硅基IGBT相比，全碳化硅MOSFET模塊的開關損耗降低了80~90％。
圖3 全碳化硅模塊與硅基模塊的開關損耗對比
以下章節將量化並討論變換器設計在目標應用的優勢。
3.系統級優勢
首個案例是直流母線電壓1500 V且開關頻率為750 Hz的牽引變流器，對CM600DA-66X和FMF750DC-66A產生的損耗進行了對比。圖4（a）描述了採用FMF 750DC-66A替換CM600DA-66X後所帶來的能耗改善，特別是在車輛部分負載條件下，節能潛力巨大。當輸出電流在400 A以下時，全碳化硅器件的半導體功耗可以降低50％~80％（在相同的器件尺寸下），而在部分負載下時，運行功耗可以進一步降低。此外，由於FMF750DC-66A的效率更高，可運行結溫更高，整流模式運行時的最大功率也會增加。如圖4（b）所示，在750 Hz的典型開關頻率下，基於FMF750DC-66A的變流器的最大輸出功率相對基於CM600DA-66X的增加了約60％。由於整流模式用於車輛減速時的能量回收，所以會有更多的能量被回收並反饋回電網，這同樣降低了傳統制動系統上的壓力。
圖4 FMF750DC-66A與CM600DA-66X的對比
第二個案例是在功率因數0.9下運行的併網逆變器，並得出取決於輸出電流的最大開關頻率，圖5中所示為考慮冷卻水溫度40°C的結果。因此，在相同的電流水平下，FMF750DC-66A的最大開關頻率相比CM600DA-66X的可增加5~9倍。
圖5 不同開關頻率下的最大輸出電流
較高的開關頻率允許變換器製造商的網格濾波器設計中採用更高的諧振頻率，因此LCL濾波器中所需的電感和電容值會降低，既降低了濾波器的尺寸、成本和損耗，又實現了對變換器更為動態的控制。此外，對於機器側逆變器或DC-DC變換器，更高的開關頻率可以設計出更緊湊的高速驅動器和中頻變換器[3、4]。
除開關頻率增加外，圖4（b）已經證明保持開關頻率恆定，基於碳化硅器件的變換器可以輸出更高的功率。FMF750DC-66A採用與CM450DA-66X、CM600DA-66X相同的封裝，可實現更靈活的變換器設計和更為快速的進度開發，且具有與硅基逆變器類似的配置。
除了在前面所討論的牽引和電網應用，FMF750DC-66A還在諸多方面具有更多優勢，圖6說明了其在模塊、變換器和應用等不同系統級別的優勢。
圖6 FMF750DC-66A在不同系統級別的優勢
4. 結論
基於最先進的LV100封裝技術，三菱電機在3.3 kV電壓等級開發了額定電流750 A的全碳化硅MOSFET模塊。
FMF750DC-66A通過提高開關頻率和實現175°C最高結溫，有效提高了變換器的功率密度。此外，該模塊能夠實現更高的系統效率，尤其是在部分負載條件下或整流模式運行時，FMF750DC-66A可將變換器損耗降低50~80％。
FMF750DC-66A與同級別硅基器件採用相同的低雜散電感LV100封裝。對於變換器製造商來說，這簡化了從硅基器件轉換到全碳化硅器件的過程並提供了極大的靈活性。
參考文獻
[1] E. Thal and J. Yamada, "SiC Power Modules for a Wide Application Range," Bodo's Power Systems, Sep 2017.
[2] Mitsubishi Electric, Mitsubishi Electric Installs Railcar Traction System with All-SiC Power Modules on Shinkansen Bullet Trains, Press Release No. 2942, June 2015.
[3] L. Luise and others, Design Optimization and Testing of High-Performance Motors: Evaluating a Compromise Between Quality Design Development and Production Costs of a Halbach-Array PM Slotless Motor, IEEE Industry Applications Magazine, 2016.
[4] M. Claessen, D. Dujic, F. Canales, J. K. Steinke, P. Stefanutti and C. Vetterli, Traction transfomration - A power-electronic traction transformer, ABB review, 01/2012.
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