采用SiC 反并二极管的逆变器性能研究

采用 SiC 反并二极管的逆变器性能研究 马柯 1，Seiki Igarashi2，徐德鸿 1 1 浙江大学电气工程学院，杭州 310027 2 富士电机电子技术株式会社，日本东京 141-0032 Email: kema@zju.edu.cn 摘 要 本文将富士公司带 SiC 反并二极管的 IGBT 模块，应用于一台 1.5kW，20kHz 半桥逆变器上。 测试了逆变器开关波形、开关损耗和整机效率。通过和相同条件下普通 Si 反并二极管模块的实验结果进行对 比，给出了采用 SiC 反并二极管的逆变器性能特点。 关键词 SiC 二极管 逆变器 1． 前言 在不间断电源、新能源逆变并网系统、有源电力滤波器等应用场合，对逆变器的性能有较高 要求，如何进一步提高逆变器效率，已经引起了越来越多的关注。 传统 IGBT 逆变器拓扑中，与 IGBT 反并联的二极管为快恢复硅二极管。当二极管关断时，会 产生反向恢复电流，反向恢复电流流经主开关形成短时电流尖峰，造成一定的开关损耗。从而导致 逆变器效率下降[1-3]。另外，反向恢复电流还会引起逆变器 EMI 噪声。 a)主开关开通过程 b)二极管关断过程 图 1 与反向恢复电流相关器件损耗 SiC 技术可以有效减小二极管反向恢复电流[2-6]。如图 1 所示，采用 SiC 二极管后，主开关和 二极管上的反向恢复电流尖峰可以大大减小，开关的电流容量也可以相应降低，器件开关损耗得到 改善。因此，将 SiC 二极管作为逆变器主开关的反并二极管，会使逆变器开关性能及整机效率得到 改善[3-4]。 2． 逆变器实验平台 半桥逆变器是两单元 IGBT 模块的典型应用场合，电路拓扑如图 2 所示，主开关 S1/S2 和反并 二极管 D1/D2 都集成在一个 IGBT 模块中，对应的实验平台照片如图 3 所示。 图 2 半桥逆变器实验平台拓扑 图 3 实验平台照片 实验平台具体参数如下：输入直流电压 Vdc=700V，输出交流电压 Vo=220Vrms，输出频率 f=50Hz，输出额定功率 1.5kW，开关频率 fs=10kHz/20kHz。逆变器采用 SPWM 调制方式，输入分 压电容C1=C2=3300μF，突波吸收电容C3=2μF，输出滤波电感Lf=1.5mH(fs=10kHz) /2.8mH(fs=20kHz)， 输出滤波 Cf=10μF。 带 SiC 二极管的 IGBT 模块选用富士公司 MBT15VS-120+CREESiC（简称 SiC-SBD），S1/S2 为富士公司 V 系列 IGBT，容量 15A/1200V；D1/D2 为 SiC 二极管，容量 10A/1200V。 作为对比，测试了采用普通硅二极管的 IGBT 模块情况，选用富士公司 7MBR25VM-120（简 称 VM25），S1/S2 为富士公司 V 系列 IGBT，容量 25A/1200V；D1/D2 为普通硅快恢复二极管，容 量 25A/1200V。 3． 实验结果 3.1 开关波形比较 主开关 S1 开通过程 S1 上电压电流波形如图 4 所示，开通电流为 10A。图 4（a)为采用 SiC 二 极管模块的情况，图 4(b)为采用硅二极管模块的情况，可以看出，使用了 SiC 反并二极管后，逆变 器主开关上的反向恢复尖峰电流大大减小。图 5 所示为 S1 开通过程功率损耗（Vce*Is），可以看出， 使用了 SiC 反并二极管后，主开关的开通功率损耗可以有效减小。 a)SiC 二极管模块 b)Si 二极管模块 图 4 S1 开通电压电流波形 a) SiC 二极管模块 b)Si 二极管模块 图 5 S1 开通过程功率损耗 S1 关断时 S1 上电压电流波形如图 6 所示，关断电流为 10A。图 6（a)为采用 SiC 二极管模块 的情况，图 6（b)为采用 Si 二极管模块的情况，图 7 所示为对应的 S1 关断过程功率损耗。可以看 出，使用了 SiC 反并二极管后，对主开关关断波形及功率损耗没有显著影响。 a)SiC 二极管模块 b)Si 二极管模块 图 6 S1 开通过程电压电流波形 a)SiC 二极管模块 b)Si 二极管模块 图 7 S1 关断过程损耗功率 D2 关断时 D2 上电压电流波形如图 8 所示，关断电流为 10A。a)为采用 SiC 二极管模块的情况， b)为采用 Si 二极管模块的情况。图 9 所示为对应的 D2 关断过程功率损耗情况。可以看出，采用 SiC 二极管后，反并二极管上反向恢复电流以及关断功率损耗基本消除。 a)SiC 二极管模块 b)Si 二极管模块 图 8 D2 关断电压电流波形 a)SiC 二极管模块 b)Si 二极管模块 图 9 D2 关断过程损耗功率 3.2 开关损耗比较 定义主开关开通一次所损耗的能量为 Eon，关断一次所损耗的能量为 Eoff，反并二极管关断一 次所损耗的能量为 Err，（单位：J）。Eon，Eoff，Err 可以通过对图 5，7，9 中的功率损耗积分实验 获得。 图 10 所示为使用了采用两种反并二极管 IGBT 模块，在不同开关电流下的 Eon 比较，图为 Eoff 的比较，图为 Err 的比较，其中，红线表示使用 SiC 二极管的情况，蓝线表示使用普通 Si 二极管 的情况。可以看到，使用SiC二极管可以比使用Si二极管减小12%的Eon和 100%的Err（10A/600V）， 但是 SiC 二极管对于 Eoff 并没有改善。 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 0 2 4 6 8 10 12 Ic(A) Eo n (m J) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 0 2 4 6 8 10 12 Ic(A) Er r( m J) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 0 2 4 6 8 10 12 Ic(A) Eo ff (m J) a) Eon vs. Ic b) Eoff vs. Ic c) Err vs. Ic 图 10 Eon Eoff Err 比较 3.3 逆变器整机效率比较及损耗分析[7-10] 图 11 所示为逆变器整机效率比较，a)开关频率为 10kHz，b)开关频率为 20kHz。其中红色为采 用普通 Si 二极管模块情况，蓝色为采用 SiC 二极管模块的情况。可以看到，逆变器采用了 SiC 反 并二极管后，可以比采用普通 Si 反并二极管的情况提高约 0.5%（10kHz）和 1%（20kHz）的效率。 93.00% 94.00% 95.00% 96.00% 97.00% 98.00% 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 Po (W) 单 相 逆 变 器 效 率 93.00% 94.00% 95.00% 96.00% 97.00% 98.00% 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 Po (W) 单 相 逆 变 器 效 率 a) fs=10kHz b) fs=20kHz 图 11 逆变器效率比较 半桥逆变器的损耗主要有以下三部分[15-17]： 1) 功率器件开关损耗 Psw 功率器件的开关损耗 Psw由主开关开通损耗 Pon，主开关关断损耗 Poff，以及反并二极管关断损 耗 Prr构成。Pon，Poff，Prr可以通过 Eon，Eoff以及 Err随开关电流变化曲线计算获得： sw on off rrP P P P= + + (1) ( ) ( ) ( ) 0 0 0 ( ) ( ) ( ) N N N sw on load off load rr load n n n P f E i n E i n E i n = = = ⎡ ⎤= ⋅ + +⎢ ⎥⎣ ⎦∑ ∑ ∑ (2) f 为输出工频，N 为一个周波内的开关次数，Eon，Eoff，Err为实验测得的一次 IGBT 开关损耗 能量，可以通过图 11 获得。iload(n)为第 n 次开关时主管上的开关电流，也即负载电流。 2) 功率器件导通损耗 Pcon 功率器件导通损耗可通过如下计算获得： ( ) 0 0 2 ( ) ( ) 1 N N con S load n s D load n s n n P f u i n D T u i n D T = = ⎛ ⎞= ⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ −⎜ ⎟⎝ ⎠∑ ∑ (3) uS和 uD为主开关和其反并二极管的通态压降，由 IGBT 数据手册提供。Dn 为 S1第 n 次开关 的占空比。 3) 滤波电感损耗 PL 滤波电感设计如下：当 fs=10kHz, Lf=2.8mH, 采用 EE110 PC40 铁氧体磁芯，9*0.385mm2 铜线 绕组，匝数 89；当 fs=20kHz，采用 EE85 PC40 铁氧体磁芯，9*0.385mm2 铜线绕组，匝数 73，电 感损耗即可以通过计算获得。 图 12 所示为两种模块逆变器损耗分析，可见采用 SiC二极管模块后，开通损耗 Pon 减小了 21%， 二极管反向恢复损耗 Prr 减小了 100%，总损耗减小了 25%（20kHz，1.5kW）。 7.6 7.1 8.4 8.4 6.6 8.4 4.3 4.3 5.9 0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 SiC-SBD VM25 fs=10kHz Po=1500W 损 耗 (W ) PL Prr Pon Poff Pcon 7.6 7.2 16.8 16.8 13.2 16.8 3.6 3.6 5.9 0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 SiC-SBD VM25 fs=20kHz Po=1500W 损 耗 (W ) PL Prr Pon Poff Pcon a) fs=10kHz b) fs=20kHz 图 12 逆变器损耗分析 4． 与硅反并二极管情况相比，采用 SiC 反并二极管后，主开关上的反向恢复电流显著减小，开关 器件容量降低，逆变器总损耗减小 25%，并可以改善 1%的逆变器效率（20kHz，1.5kW）。 致谢： 本文作者衷心感谢国家自然科学基金（编号：50877072），国家高技术研究发展专项 863 项目（编 号：2007AA05Z243），以及日本富士电机电子技术株式会社资助。 参考文献 [1] 张占松，蔡宣三．开关电源的原理与设计．北京：电子工业出版社，2006. 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