東芝開發2200V SiC MOSFET來實現低功耗、系統簡化及小型輕量化( 8月18日更新)

2023年8月10日

東芝電子元件及存儲裝置株式會社

日本川崎——東芝電子元件及存儲裝置株式會社開發用於太陽能變頻器( PV )的2200V SiC MOSFET 。與傳統基於 Si IGBT的3-Level 架構之變頻器相比,採用SiC MOSFET 2-Level的變頻器提高了切換頻率並降低了功率損耗。此技術有助於簡化變頻器系統並減小尺寸和重量。

傳統的3-Level變頻器的特點是切換損耗低,關斷時施加到功率元件的電壓是變頻器工作電壓的一半。另一方面,2-Level變頻器的功率元件較少,使得系統更簡單、更小、更輕。不過,由於施加的電壓等於DC-BUS電壓,因此要求功率元件具有更高的擊穿電壓。近年來,隨著包括太陽能變頻器在內的再生能源市場的輸入電壓提高至DC 1500 V,對低損耗、高電壓功率元件的需求不斷增加。

東芝在現有SiC MOSFET產品的基礎上優化漂移層的濃度和厚度,開發出內置2200 V SBD的SiC MOSFET(注3),可相容於DC 1500 V系統中的2-Level 變頻器。具體來說,它的設計目的是保持與我們現有產品相同的導通電阻-耐壓權衡,同時實現光伏應用對宇宙射線的高破壞性抵抗力。此外,通過與現有產品一樣採用內置式SBD,我們抑制了寄生二極體(注4)導通引起的低可靠性,並確認了逆向導通時的高可靠性。

此次開發的SiC MOSFET模組,與相同耐壓的Si模組(Si IGBT + Si FRD(注5))相比,切換損耗顯著降低。此外,根據損耗計算結果,基於SiC模組設計的2-Level SiC變頻器比傳統的3-Level Si 變頻器具有更低的損耗,即使在2倍切換頻率下驅動時,功耗也能減少38%。使用SiC元件實現高頻驅動,還能使散熱器和濾波器等元件變得更小、更輕。

< 8月18日更新>
功耗降低率已更新。

該成果的詳細資訊已於5月11日在德國紐倫堡舉行的國際電力電子展PCIM Europe 2023進行發表。

Schematic cross-sectional view of Toshiba’s 2200 V SiC MOSFET
東芝2200 V SiC MOSFET構造圖
Comparison of switching energy losses between a 2300 V Si IGBT module and the all-SiC module
2300V Si IGBT模組與SiC模組開關損耗比較

* 2300V Si 模組的性能值是東芝根據截至2023年3月發表的學術論文估算得來。

Comparison of inverter power dissipation between the conventional three-level Si IGBT and the developed two-level SiC MOSFET inverter
傳統3-Level Si IGBT和新開發的2-Level SiC MOSFET的變頻器損耗比較

*傳統3-Level Si IGBT的性能值是東芝根據截至2023年3月發布的特性數據於2023年3月估算得來。

<8月18日更新>
切換頻率、功耗數據及其降低率均已更新。

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