利用SiC和GaN實現(xiàn)AC-AC轉(zhuǎn)換器薄型化

最近，采用可大幅削減電力損耗的新一代功率元件的試制示例接連出現(xiàn)。此次邀請了安川電機，針對采用SiC功率元件的AC-AC轉(zhuǎn)換器以及采用GaN功率元件的功率調(diào)節(jié)器，介紹有關(guān)技術(shù)和取得的效果。

AC-AC轉(zhuǎn)換器尤其需要薄型化

以上介紹了SiC和GaN功率元件的應(yīng)用背景。下面介紹一下開篇提到的采用SiC功率元件的AC-AC轉(zhuǎn)換器，以及采用GaN功率元件的功率調(diào)節(jié)器的詳情。

輸出功率為45kW的薄型化AC-AC轉(zhuǎn)換器，其外形尺寸為進深358mm×寬282mm×厚29mm(圖1)。輸出電力密度較大，約為15kW/L.

圖1：采用SiC功率元件縮小外形尺寸

AC-AC轉(zhuǎn)換器的外形尺寸只有358mm×282mm×29mm(a)。電路主要由AC-DC轉(zhuǎn)換器和逆變器構(gòu)成(b)。實際由安裝有AC-DC轉(zhuǎn)換器和逆變器采用的SiC功率元件的“功率基板”、驅(qū)動該元件的“柵極基板”以及電抗器模塊等部材構(gòu)成(c)。

AC-AC轉(zhuǎn)換器由AC-DC轉(zhuǎn)換器和逆變器(DC-AC轉(zhuǎn)換)構(gòu)成。具體而言，由安裝有構(gòu)成AC-DC轉(zhuǎn)換器和逆變器的SiC功率元件的“功率基板”、安裝有驅(qū)動該元件的柵極電路的“柵極基板”、負責(zé)AC-AC轉(zhuǎn)換器整體驅(qū)動的“控制基板”、配備多個電抗器的模塊(電抗器模塊)、電源模塊以及冷卻器等構(gòu)成。功率基板上配備了用于傳遞電信號和散熱的銅板。功率基板的背面安裝了收放SiC功率元件的功率模塊和平滑電容器。冷卻器采用水冷方式，不僅是功率模塊，還用來冷卻電抗器模塊。

功率模塊由羅姆制造，減薄了厚度。其中，SiC功率元件配備了肖特基勢壘二極管(SBD)和雙溝道型MOSFET.雙溝道型在柵極和源極分別設(shè)置了溝道構(gòu)造。由此，與普通的溝道型SiC MOSFET相比，緩和了電場集中，提高了柵極絕緣膜的耐壓。

功率模塊采用“二合一”封裝品，配備單橋臂逆變器電路，額定電壓為600V，額定電流為260A.導(dǎo)通電阻只有3mΩ，而且能以100kHz的高頻開關(guān)。與普通IGBT模塊的二合一封裝品相比，外形尺寸只有約1/8.功率模塊的電力損耗也只有IGBT模塊的約1/3.

實現(xiàn)128kW/L的輸出密度

我們把該SiC功率模塊用于AC-AC轉(zhuǎn)換器的AC-DC轉(zhuǎn)換器和逆變器。在AC-DC轉(zhuǎn)換器中用于提高開關(guān)頻率，縮小被動元件的尺寸，在逆變器中用于降低功率元件的損耗，縮小冷卻器的尺寸。逆變器部的輸出密度達到128kW/L，非常大。

此次我們把AC-DC轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率設(shè)定為原來約10倍的100kHz，縮小了電抗器。因此，電抗器模塊的尺寸為186mm×126mm×27mm，縮小至采用原AC-DC轉(zhuǎn)換器時的約1/10(圖2)。

圖2：采用小型低損耗電抗器模塊

AC-AC轉(zhuǎn)換器采用了外形尺寸只有186mm×126mm×27mm的電抗器模塊(a)。磁場解析結(jié)果顯示，高磁力線密度也能構(gòu)成電抗器(b)。

不過，單純提高開關(guān)頻率的話，用于電抗器內(nèi)核的磁性材料的鐵損會增大，從而使得電力轉(zhuǎn)換裝置的效率降低。因此，內(nèi)核采用了阿爾卑斯綠色器件制造的低損耗磁性材料“Liqualloy”注1.

注1：Liqualloy是非晶合金的一種，特點是具備與電磁鋼板不相上下的高飽和磁通密度，而且高頻成分的損耗小。

采用GaN的功率調(diào)節(jié)器準備產(chǎn)品化

本文開篇也提到過，采用此次的SiC功率元件的AC-AC轉(zhuǎn)換器定位為旗艦產(chǎn)品，所以目前還沒有原封不動投產(chǎn)的打算。但采用GaN功率元件的功率調(diào)節(jié)器則打算實現(xiàn)產(chǎn)品化，計劃2014年內(nèi)投產(chǎn)。

我們開發(fā)的是輸出功率為4.5kW的家用功率調(diào)節(jié)器。以產(chǎn)品化為前提采用了生產(chǎn)效率高的技術(shù)，同時通過GaN功率元件追求了功率調(diào)節(jié)器的高效率化和小型化。因此，雖然是研發(fā)品，但與采用Si IGBT的安川電機現(xiàn)有產(chǎn)品相比，電力損耗約降低一半，體積減小40%，重量減輕約27%(圖3)。效率方面，安川電機現(xiàn)有產(chǎn)品的最大效率約為96.5%，而開發(fā)品達到了98%以上。

圖3：采用GaN功率元件實現(xiàn)小型化和高效率化

采用GaN功率元件，實現(xiàn)了功率調(diào)節(jié)器的小型化和高效率化。外形尺寸為350mm×200mm×150mm，與采用Si IGBT的現(xiàn)有產(chǎn)品相比，體積削減40%(a)。效率由現(xiàn)有產(chǎn)品的最大約96.5%提高到了98%以上(b)。

提高效率有很多種方法，但大多會使主電路變復(fù)雜，部件增多。因此，我們在盡量采用單純的主電路構(gòu)造的同時，通過采用GaN功率元件并改善控制方法，把開關(guān)頻率提高到了50kHz.

主電路由升壓用斬波電路、單相輸出橋接電路和正弦波濾波器等構(gòu)成。GaN功率元件用于斬波電路和橋接電路。通過高頻開關(guān)，縮小了電抗器和正弦波濾波器等的尺寸。另外，還利用GaN功率元件降低了損耗，因此效率提高，冷卻器尺寸縮小，從而為試制品的小型化做出了貢獻。

采用耐壓為600V的產(chǎn)品

所采用的GaN功率元件是耐壓為600V的GaN功率晶體管。此次采用GaN是因為，用于功率調(diào)節(jié)器時，與相同耐壓的SiC MOSFET相比，在成本方面和性能方面更具有優(yōu)勢。

成本方面，可在廉價的6英寸口徑Si基板上制作的GaN功率晶體管比SiC MOSFET更有前景。性能方面，在耐壓600V的用途中，開關(guān)損耗和輸入容量比SiC MOSFET小。

GaN功率晶體管由美國Transphorm制造。該晶體管采用二合一功率模塊，配備單橋臂逆變器電路。額定電壓為600V，輸出電流為65A，導(dǎo)通電阻為34mΩ。

由于輸入容量只有相同額定電壓的超結(jié)構(gòu)造Si MOSFET的1/10以下，因此柵極電路的規(guī)模非常小。柵極電路也很簡單，主要由柵極驅(qū)動IC和柵極電阻等構(gòu)成。因柵極電路簡單，布線電感較小，實現(xiàn)了穩(wěn)定的高速開關(guān)。

今后，為實現(xiàn)產(chǎn)品化，計劃降低輻射電磁噪聲、提高功率模塊的可靠性、驗證系統(tǒng)連接、降低電抗器的損耗等。