利用SiC和GaN实现AC-AC转换器薄型化 转换器, 调节器, 电机, 技术

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最近，采用可大幅削减电力损耗的新一代功率元件的试制示例接连出现。此次邀请了安川电机，针对采用SiC功率元件的AC-AC转换器以及采用GaN功率元件的功率调节器，介绍有关技术和取得的效果。
AC-AC转换器尤其需要薄型化
以上介绍了SiC和GaN功率元件的应用背景。下面介绍一下开篇提到的采用SiC功率元件的AC-AC转换器，以及采用GaN功率元件的功率调节器的详情。
输出功率为45kW的薄型化AC-AC转换器，其外形尺寸为进深358mm×宽282mm×厚29mm(图1)。输出电力密度较大，约为15kW/L.


图1：采用SiC功率元件缩小外形尺寸
AC-AC转换器的外形尺寸只有358mm×282mm×29mm(a)。电路主要由AC-DC转换器和逆变器构成(b)。实际由安装有AC-DC转换器和逆变器采用的SiC功率元件的“功率基板”、驱动该元件的“栅极基板”以及电抗器模块等部材构成(c)。
AC-AC转换器由AC-DC转换器和逆变器(DC-AC转换)构成。具体而言，由安装有构成AC-DC转换器和逆变器的SiC功率元件的“功率基板”、安装有驱动该元件的栅极电路的“栅极基板”、负责AC-AC转换器整体驱动的“控制基板”、配备多个电抗器的模块(电抗器模块)、电源模块以及冷却器等构成。功率基板上配备了用于传递电信号和散热的铜板。功率基板的背面安装了收放SiC功率元件的功率模块和平滑电容器。冷却器采用水冷方式，不仅是功率模块，还用来冷却电抗器模块。
功率模块由罗姆制造，减薄了厚度。其中，SiC功率元件配备了肖特基势垒二极管(SBD)和双沟道型MOSFET.双沟道型在栅极和源极分别设置了沟道构造。由此，与普通的沟道型SiC MOSFET相比，缓和了电场集中，提高了栅极绝缘膜的耐压。
功率模块采用“二合一”封装品，配备单桥臂逆变器电路，额定电压为600V，额定电流为260A.导通电阻只有3mΩ，而且能以100kHz的高频开关。与普通IGBT模块的二合一封装品相比，外形尺寸只有约1/8.功率模块的电力损耗也只有IGBT模块的约1/3.
实现128kW/L的输出密度
我们把该SiC功率模块用于AC-AC转换器的AC-DC转换器和逆变器。在AC-DC转换器中用于提高开关频率，缩小被动元件的尺寸，在逆变器中用于降低功率元件的损耗，缩小冷却器的尺寸。逆变器部的输出密度达到128kW/L，非常大。
此次我们把AC-DC转换器的开关频率设定为原来约10倍的100kHz，缩小了电抗器。因此，电抗器模块的尺寸为186mm×126mm×27mm，缩小至采用原AC-DC转换器时的约1/10(图2)。


图2：采用小型低损耗电抗器模块
AC-AC转换器采用了外形尺寸只有186mm×126mm×27mm的电抗器模块(a)。磁场解析结果显示，高磁力线密度也能构成电抗器(b)。
不过，单纯提高开关频率的话，用于电抗器内核的磁性材料的铁损会增大，从而使得电力转换装置的效率降低。因此，内核采用了阿尔卑斯绿色器件制造的低损耗磁性材料“Liqualloy”注1.
注1：Liqualloy是非晶合金的一种，特点是具备与电磁钢板不相上下的高饱和磁通密度，而且高频成分的损耗小。
采用GaN的功率调节器准备产品化
本文开篇也提到过，采用此次的SiC功率元件的AC-AC转换器定位为旗舰产品，所以目前还没有原封不动投产的打算。但采用GaN功率元件的功率调节器则打算实现产品化，计划2014年内投产。
我们开发的是输出功率为4.5kW的家用功率调节器。以产品化为前提采用了生产效率高的技术，同时通过GaN功率元件追求了功率调节器的高效率化和小型化。因此，虽然是研发品，但与采用Si IGBT的安川电机现有产品相比，电力损耗约降低一半，体积减小40%，重量减轻约27%(图3)。效率方面，安川电机现有产品的最大效率约为96.5%，而开发品达到了98%以上。


图3：采用GaN功率元件实现小型化和高效率化
采用GaN功率元件，实现了功率调节器的小型化和高效率化。外形尺寸为350mm×200mm×150mm，与采用Si IGBT的现有产品相比，体积削减40%(a)。效率由现有产品的最大约96.5%提高到了98%以上(b)。
提高效率有很多种方法，但大多会使主电路变复杂，部件增多。因此，我们在尽量采用单纯的主电路构造的同时，通过采用GaN功率元件并改善控制方法，把开关频率提高到了50kHz.
主电路由升压用斩波电路、单相输出桥接电路和正弦波滤波器等构成。GaN功率元件用于斩波电路和桥接电路。通过高频开关，缩小了电抗器和正弦波滤波器等的尺寸。另外，还利用GaN功率元件降低了损耗，因此效率提高，冷却器尺寸缩小，从而为试制品的小型化做出了贡献。
采用耐压为600V的产品
所采用的GaN功率元件是耐压为600V的GaN功率晶体管。此次采用GaN是因为，用于功率调节器时，与相同耐压的SiC MOSFET相比，在成本方面和性能方面更具有优势。
成本方面，可在廉价的6英寸口径Si基板上制作的GaN功率晶体管比SiC MOSFET更有前景。性能方面，在耐压600V的用途中，开关损耗和输入容量比SiC MOSFET小。
GaN功率晶体管由美国Transphorm制造。该晶体管采用二合一功率模块，配备单桥臂逆变器电路。额定电压为600V，输出电流为65A，导通电阻为34mΩ。
由于输入容量只有相同额定电压的超结构造Si MOSFET的1/10以下，因此栅极电路的规模非常小。栅极电路也很简单，主要由栅极驱动IC和栅极电阻等构成。因栅极电路简单，布线电感较小，实现了稳定的高速开关。
今后，为实现产品化，计划降低辐射电磁噪声、提高功率模块的可靠性、验证系统连接、降低电抗器的损耗等。