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如何對(duì)LinPak進(jìn)行優(yōu)化以在客戶應(yīng)用程序中獲得更好性能

科技綠洲 ? 來(lái)源:eepower ? 作者:eepower ? 2022-09-11 09:02 ? 次閱讀
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每天我們醒來(lái)打開(kāi)燈、咖啡機(jī)或電爐準(zhǔn)備早餐,我們都希望所有的電動(dòng)機(jī)、加熱器和燈泡都能正常工作。盡管全球有數(shù)十億臺(tái)設(shè)備在運(yùn)行——所有這些設(shè)備都有望在輕按開(kāi)關(guān)的情況下工作——但我們每天都會(huì)增加更多需要 100% 可靠供電的系統(tǒng)。如此之多,以至于電力需求在過(guò)去二十年中翻了一番,預(yù)計(jì)在接下來(lái)的二十年里幾乎還會(huì)再翻一番。

一方面,必須增加電力生產(chǎn)以滿足不斷增長(zhǎng)的需求。這種增長(zhǎng)需要來(lái)自對(duì)環(huán)境無(wú)害的資源,例如海上和陸上風(fēng)能、光伏、泵浦水力發(fā)電和其他可再生能源發(fā)電技術(shù)。

另一方面,必須可靠地將產(chǎn)生的電力分配到需要的地方,并盡可能減少損失。在將能源轉(zhuǎn)化為電、熱、光或機(jī)械運(yùn)動(dòng)的鏈條中,處于電子系統(tǒng)核心的功率半導(dǎo)體是提高能量轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵。

為了提高效率并減少能源系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的整體影響,新型半導(dǎo)體材料必須以更低的損耗提供更高的功率。他們還需要通過(guò)降低熱阻同時(shí)增加預(yù)期壽命來(lái)實(shí)現(xiàn)更高電流密度的封裝。

LinPak 是一種功率半導(dǎo)體封裝,已成為牽引、風(fēng)力變流器、電池存儲(chǔ)系統(tǒng)、光伏、中低壓驅(qū)動(dòng)器、固態(tài)變壓器等各種應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)。為了提高效率,使用了 SiC 等新型半導(dǎo)體材料。與 Si 相比,SiC 具有一系列無(wú)疑更好的特性,特別是更高的電場(chǎng)強(qiáng)度和熱導(dǎo)率。在本文中,我們將簡(jiǎn)要介紹設(shè)計(jì)此類(lèi)設(shè)備的過(guò)程以及如何對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化以在客戶應(yīng)用程序中獲得更好的性能。

具有高 K 電介質(zhì)的 SiC

SiC 的卓越特性使帶有 SiC MOSFET 的模塊更加緊湊,其開(kāi)關(guān)損耗僅為相應(yīng) Si IGBT 模塊通常相關(guān)的一小部分。碳化硅的最大挑戰(zhàn)是成本和可靠性。例如,柵極電介質(zhì),尤其是與半導(dǎo)體的界面,對(duì)退化高度敏感。

一方面,由于更高的介電常數(shù)和更高的介電電容(C D = ε D /t D),HKMOSFET 的 R DSon低于 SiO2 柵極電介質(zhì)(圖 1)。另一方面,甚至更重要的是,它降低了界面陷阱態(tài) (D it ) 的密度,從而導(dǎo)致閾值電壓 V th的魯棒性無(wú)與倫比,即使在 V GS的數(shù)千個(gè)循環(huán)之后也是如此從 +15 V 掃描到 -15 V(圖 2)。這確保了即使器件在工作期間受到不希望的柵極電壓擺動(dòng)的影響,開(kāi)關(guān)特性也將保持恒定。通過(guò)增加溝道寬度和減小器件間距來(lái)進(jìn)一步優(yōu)化器件性能。這將降低導(dǎo)通電阻 R DSon以及開(kāi)關(guān)損耗。

模塊設(shè)計(jì)優(yōu)化

SiC 裸片的缺陷密度是增加成本的主要因素之一。為使模具價(jià)格實(shí)惠,它們的制造占地面積很?。?5X5 毫米)。小芯片尺寸帶來(lái)的挑戰(zhàn)是,對(duì)于比較額定值 - 就像 Si IGBT 一樣 - 許多 SiC MOSFET(最多 40 個(gè))需要在 LinPak 模塊中并聯(lián)連接。

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圖 1. LG=250nm 和單元間距為 14μm 的高 k 和 SiO2 3.3kV MOSFET 的輸出特性 (A) 和 RDSON 從 25°C 到 200°C (B)。

圖片由 Bodo‘s Power Systems提供

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圖 2. (A) 具有極端柵極變化的重復(fù)開(kāi)啟/關(guān)閉開(kāi)關(guān) (B) 在重復(fù) VGS 掃描期間 Vth 變化。

圖片由 Bodo’s Power Systems提供

這種快速開(kāi)關(guān) SiC MOSFET 的并聯(lián)導(dǎo)致了重大的電磁設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。為了提供低開(kāi)關(guān)損耗和可靠運(yùn)行,必須確保無(wú)臨界振蕩的快速開(kāi)關(guān)以及 MOSFET 之間平衡的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)電流共享。

自 2018 年以來(lái),日立能源半導(dǎo)體(原 ABB)推出了基于 LV LinPak 平臺(tái)開(kāi)發(fā)的 1.7 和 3.3 kV SiC 大功率模塊。SiC 模塊采用了創(chuàng)新的多級(jí)模塊概念,可以非常靈活地路由主電流和控制信號(hào)?;诖烁拍睿炎C明在單個(gè)開(kāi)關(guān)內(nèi)使用多達(dá) 40 個(gè)并聯(lián)的 SiC MOSFET 可實(shí)現(xiàn)快速可靠的開(kāi)關(guān)。此外,結(jié)合優(yōu)化的測(cè)試設(shè)置,可以實(shí)現(xiàn)接近分立器件的模塊開(kāi)關(guān)損耗 [7]。

日立能源半導(dǎo)體多年來(lái)一直在收集用戶反饋,并將其用于進(jìn)一步改進(jìn)模塊設(shè)計(jì)。現(xiàn)已開(kāi)發(fā)出新的第二代 SiC LinPak,其重點(diǎn)在于:

更高的模塊性能,更低的開(kāi)關(guān)損耗

與第一代設(shè)計(jì)相比降低了復(fù)雜性,提高了可制造性

第一代 SiC LinPak 內(nèi)部柵極電阻器(放置在每個(gè)模塊基板上)用于避免所有工作條件下的柵極振蕩。盡管這些柵極電阻器使模塊開(kāi)關(guān)非常穩(wěn)健,但它們限制了模塊的最小開(kāi)關(guān)損耗。因此,為了進(jìn)一步降低模塊開(kāi)關(guān)損耗,對(duì)現(xiàn)有的電磁設(shè)計(jì)進(jìn)行了進(jìn)一步改進(jìn)。首先分析該設(shè)計(jì)以確定振蕩的根本原因。經(jīng)過(guò)分析,提出了補(bǔ)救措施并在新模塊設(shè)計(jì)中實(shí)施。這些模塊設(shè)計(jì)進(jìn)一步優(yōu)化,以最大限度地減少對(duì)內(nèi)部柵極電阻器的安全操作需求并降低整體模塊復(fù)雜性。

在模塊設(shè)計(jì)優(yōu)化過(guò)程中,使用了以下步驟 - 結(jié)合迭代循環(huán):

使用 Ansys Q3D Extractor 確定和優(yōu)化寄生電感(圖 3)。主要目標(biāo)是在所有并聯(lián)的 MOSFET 之間實(shí)現(xiàn)平衡的雜散電感、平衡的柵極電感和平衡的負(fù)柵極耦合。圖 4 說(shuō)明了通過(guò)設(shè)計(jì)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)的柵極電感改進(jìn)。

提取的寄生參數(shù)用于評(píng)估使用 SIMetrix 的每個(gè)模塊設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)性能。為了在沒(méi)有臨界振蕩的情況下實(shí)現(xiàn)快速開(kāi)關(guān),以及在實(shí)際模塊中的半導(dǎo)體器件之間實(shí)現(xiàn)平衡的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)電流共享,對(duì)基于每個(gè)開(kāi)關(guān) 20 和 40 個(gè) MOSFET 裸片的 SiC LinPak 的雙脈沖測(cè)試進(jìn)行了仿真。在模擬過(guò)程中,對(duì)構(gòu)成半橋上下開(kāi)關(guān)的每個(gè) MOSFET 的電壓、電流和控制信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

最近開(kāi)發(fā)的具有多個(gè)可調(diào)參數(shù)的 SPICE 模型也使我們能夠研究 MOSFET 參數(shù)的偏差(容差)對(duì)模塊開(kāi)關(guān)性能的影響。

四個(gè)新開(kāi)發(fā)和優(yōu)化的模塊設(shè)計(jì)顯示了 MOSFET 之間的雜散電感、柵極電感和柵極耦合的最佳平衡以及無(wú)臨界振蕩的開(kāi)關(guān)瞬態(tài),用于組裝和測(cè)試 1.7 kV SiC LinPak。原型基于與上一代模塊相同的 SiC MOSFET。原型的開(kāi)關(guān)瞬態(tài)和開(kāi)關(guān)損耗是在雙脈沖測(cè)試中使用為快速開(kāi)關(guān) SiC LinPak 優(yōu)化的測(cè)試設(shè)置確定的。

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圖 3. 用于提取寄生參數(shù)的完整 SiC LinPak 的 Q3D 模型。圖片由 Bodo‘s Power Systems提供

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圖 4. 在優(yōu)化過(guò)程中實(shí)現(xiàn)的柵極電感平衡得到改善。(A) 為先前版本的 SiC LinPak(上下開(kāi)關(guān))確定了柵極電感。位于基板 1 上的開(kāi)關(guān) 1-10 和位于基板 2 上的開(kāi)關(guān) 11-20 的電感平衡良好。位于一個(gè)基板上的器件之間的最大差異約為 2%。然而,位于不同基板上的 MOSFET 之間的差異,幾乎是 20%。(B) 為改進(jìn)版圖確定了柵極電感。現(xiàn)在任何兩個(gè)并聯(lián)的 MOSFET 之間的最大差異小于 5%。圖片由 Bodo’s Power Systems提供

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概念 1 – 版本 1。關(guān)閉 (R g_ext = 1.5 Ohm)。E on = 161.22 兆焦耳。圖片由 Bodo‘s Power Systems提供

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概念 1 – 版本 1。開(kāi)啟 (R g_ext = 1.5 Ohm)。E on = 98.47 兆焦耳。圖片由 Bodo’s Power Systems提供

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概念 1 – 版本 2。關(guān)閉 (R g_ext = 1.5 Ohm)。E on = 126.48 mJ。圖片由 Bodo‘s Power Systems提供

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概念 1 – 版本 2。開(kāi)啟 (R g_ext = 1.5 Ohm)。E on = 75.21 兆焦耳。圖片由 Bodo’s Power Systems提供

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概念 2 – 版本 1。關(guān)閉 (R g_ext = 1.5 Ohm)。E on = 133.7 mJ 圖片由 Bodo‘s Power Systems提供

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概念 2 – 版本 1。開(kāi)啟 (R g_ext = 1.5 Ohm)。E on = 80.56 兆焦耳。圖片由 Bodo’s Power Systems提供

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概念 2 – 版本 2。關(guān)閉 (R g_ext = 1.5 Ohm)。E on = 98.77 兆焦耳。圖片由 Bodo‘s Power Systems提供

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概念 2 – 版本 2。開(kāi)啟 (R g_ext = 1.5 Ohm)。E on = 57.18 兆焦耳。圖片由 Bodo’s Power Systems提供

圖 5. 為所有四種評(píng)估模塊設(shè)計(jì)測(cè)量的開(kāi)關(guān)瞬態(tài)。

圖 5 顯示了使用 1.5 歐姆外部柵極電阻器對(duì)所有四個(gè)測(cè)試模塊設(shè)計(jì)測(cè)量的開(kāi)啟和關(guān)閉開(kāi)關(guān)瞬態(tài)示例。該圖還包括相應(yīng)的開(kāi)關(guān)損耗。

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圖 6. 使用 0 Ω 外部柵極電阻器(UDS = 900 V,ID=840A)在 150 °C 下確定的總開(kāi)關(guān)損耗比較。從左到右: - Si IGBT 模塊的損耗 - 第一代 SiC LinPak - 評(píng)估概念 1(版本 1) - 評(píng)估概念 1(版本 2) - 評(píng)估概念 2(版本 1) - 評(píng)估概念 2(版本 2) 編號(hào)上條表示與之前版本的 SiC LinPak 相比,開(kāi)關(guān)損耗有所降低。圖片由 Bodo‘s Power Systems提供

圖 6 比較了不使用外部柵極電阻器時(shí)在 150°C 下測(cè)得的開(kāi)關(guān)損耗。在所有四種情況下,由于改進(jìn)了電磁模塊設(shè)計(jì),需要更少或不需要內(nèi)部(基板)柵極電阻,因此與第一代 SiC LinPak 相比,開(kāi)關(guān)損耗更低。在一種情況下,開(kāi)關(guān)損耗甚至可以與按比例分立的 SiC MOSFET 的開(kāi)關(guān)損耗相媲美。

輸出模擬

為了評(píng)估 SiC LinPak 新設(shè)計(jì)的性能改進(jìn),對(duì)可能的風(fēng)能應(yīng)用進(jìn)行了一系列模擬。將兩個(gè)模塊(20 個(gè) MOSFET 管芯/開(kāi)關(guān) 5SFG 0900X170100、40 個(gè) MOSFET 管芯/開(kāi)關(guān) 5SFG 1800X170100)與現(xiàn)有的 Si IGBT LinPak (5SNG 1000X170300) 進(jìn)行了比較。

模擬條件

拓?fù)? 級(jí)全部

基頻 f10赫茲

開(kāi)關(guān)頻率 fc2000赫茲

控制三次諧波注入

相電流I Ph f(fc) @ T vjMax或 600A

功率因數(shù)1.0

直流電壓1180 伏

電壓 LL690 伏有效值

環(huán)境溫度45°C

R th冷卻器11千/千瓦

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圖 7. 2 級(jí) VSI 的電流輸出與頻率的關(guān)系。圖片由 Bodo’s Power Systems提供

在電流輸出與頻率的平坦曲線中,900 A SiC 模塊的開(kāi)關(guān)損耗要低得多(見(jiàn)圖 7)。人們還看到,當(dāng)許多 MOSFET 芯片并聯(lián)封裝時(shí),即 40 pcs/switch 時(shí),需要降低開(kāi)關(guān)速度,從而影響開(kāi)關(guān)損耗。即使在這種情況下,1800 A SiC 模塊也具有更平坦的電流與頻率輸出。這意味著對(duì)于給定的輸出電流,即 800 A,基于 SiC MOSFET 的 LinPak 模塊的開(kāi)關(guān)速度是等效 Si IGBT 的兩倍。這對(duì)于所需的過(guò)濾有明顯的好處。

在風(fēng)能應(yīng)用中,10Hz 范圍內(nèi)的極低基頻是一個(gè)很大的挑戰(zhàn),因?yàn)楦鶕?jù)當(dāng)前負(fù)載,它會(huì)導(dǎo)致 20-40 K 的恒定 IGBT 結(jié)溫紋波。使用連續(xù)運(yùn)行的極端情況計(jì)算,超過(guò)在轉(zhuǎn)換器的生命周期中,預(yù)計(jì)會(huì)有 100 億次這樣的循環(huán)。當(dāng)使用體二極管進(jìn)行三次方操作時(shí),SiC MOSFET 在兩個(gè)電流方向上使用相同的半導(dǎo)體面積,與等效的 IGBT/續(xù)流二極管解決方案相比,降低了溫度紋波。這對(duì)此類(lèi)模塊的可靠性具有重要意義。

日立能源半導(dǎo)體自 2018 年以來(lái)一直提供 SiC LinPak 演示模塊。近年來(lái),為了更好地適應(yīng)這些經(jīng)過(guò)改進(jìn)的新芯片,我們?cè)诟倪M(jìn) SiC MOSFET 性能和穩(wěn)健性以及 LinPak 封裝方面做了進(jìn)一步的工作。MOSFET 柵極上的高 k 電介質(zhì)改善了關(guān)鍵指標(biāo) RDSon,并在柵極暴露于電壓波動(dòng)時(shí)顯著提高了其穩(wěn)健性。

該封裝通過(guò)執(zhí)行電磁仿真和電氣測(cè)試進(jìn)一步優(yōu)化,以實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)損耗、可制造性和可靠性之間的最佳折衷。最后,以風(fēng)能兩電平變流器為例,對(duì)模塊的性能進(jìn)行了仿真,并與標(biāo)準(zhǔn)的 IGBT/FWD 模塊進(jìn)行了比較。事實(shí)證明,SiC LinPak 是進(jìn)一步提高 21 世紀(jì)各種應(yīng)用(如風(fēng)能、太陽(yáng)能、牽引、固態(tài)變壓器等)的性能和可靠性的正確選擇。

審核編輯:彭靜
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    的頭像 發(fā)表于 10-19 16:04 ?2772次閱讀

    LabVIEW應(yīng)用程序性能瓶頸的解決

    了解如何識(shí)別和解決LabVIEW應(yīng)用程序性能瓶頸。使用內(nèi)置工具和VI分析器,您可以監(jiān)視VIs的內(nèi)存使用情況和執(zhí)行時(shí)間,確定導(dǎo)致應(yīng)用程序性能
    發(fā)表于 03-29 14:03 ?8次下載
    LabVIEW<b class='flag-5'>應(yīng)用程序</b>中<b class='flag-5'>性能</b>瓶頸的解決

    利用Transformer和CNN 各自的優(yōu)勢(shì)獲得更好的分割性能

    Transformer 和 CNN 各自的優(yōu)勢(shì)獲得更好的分割性能。 具體來(lái)說(shuō),PHTrans 沿用 U 形設(shè)計(jì),深層引入并行混合模塊,
    的頭像 發(fā)表于 11-05 11:38 ?7338次閱讀

    PC上構(gòu)建XR應(yīng)用程序獲得高質(zhì)量的圖形

    通過(guò)使用 GPU 創(chuàng)建這些復(fù)雜的環(huán)境,您可以將圖形體驗(yàn)提升到新的水平。 PC 上開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序可以實(shí)現(xiàn)更高的保真度和信息深度,以及更大的、完全動(dòng)態(tài)的環(huán)境。NVIDIA RTX 提供了速度、性能和海量?jī)?nèi)存的組合,使 VR
    的頭像 發(fā)表于 02-17 10:35 ?1165次閱讀

    如何使您更好進(jìn)行應(yīng)用程序安全測(cè)試

    應(yīng)用程序測(cè)試策略,使用攻擊樹(shù)可以幫助您模擬各種攻擊場(chǎng)景,并就如何最好地保護(hù)應(yīng)用程序做出決策。您將能夠查明最容易受到攻擊的系統(tǒng)和控制,并更有效地構(gòu)建特定的對(duì)策。
    的頭像 發(fā)表于 05-25 14:46 ?954次閱讀
    如何使您<b class='flag-5'>更好</b>地<b class='flag-5'>進(jìn)行</b><b class='flag-5'>應(yīng)用程序</b>安全測(cè)試

    PGO到底是什么?PGO如何提高應(yīng)用程序性能呢?

    的方法。PGO技術(shù)在編譯優(yōu)化起了很大的作用,能夠優(yōu)化代碼、減少程序體積、提升程序性能等。 PGO技術(shù)可以分為三個(gè)步驟,首先是收集運(yùn)行特征數(shù)
    的頭像 發(fā)表于 10-26 17:37 ?2480次閱讀