CN221226222U - Pfc电路模块及碳化硅功率芯片 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种PFC电路模块及碳化硅功率芯片，包括碳化硅三极管Q1、碳化硅二极管D1以及碳化硅二极管D2，其中：碳化硅三极管Q1并联碳化硅二极管D1后与碳化硅二极管D2串联；碳化硅三极管Q1、碳化硅二极管D1以及碳化硅二极管D2形成封装结构。本实用新型采用全碳化硅PFC电路模块，大大降低了制造成本。本实用新型解决由于容性负载导致电流波形严重畸变而产生的电磁干扰(EMI)和电磁兼容(EMC)问题。本实用新型采用全碳化硅功率芯片使得PFC升压电路可以进一步减小电网负荷，降低谐波污染，提高电能利用率。
Description
技术领域
本实用新型涉及PFC电路领域，具体地，涉及一种PFC电路模块及碳化硅功率芯片。
背景技术
为了推动碳中和目标的实现，我国正大力发展可再生能源，光伏产业作为推动我国能源变革的重要引擎，也是新能源的重要组成部分。PFC电路作为光伏领域中非常重要的应用，它可以提高光伏逆变器的效率和功率因数，减小电网电流谐波，降低对电网的干扰，并提高整个系统的稳定性和可靠性。
在最开始的光伏逆变器系统中，PFC电路的功率器件多采用单管的Si IGBT和SiFRD如图3所示，这种组合可以满足低功率的系统使用，但随着装机量的增加和装机环境的影响，硅基功率芯片已接近其物理性能极限，在极端应用环境下会存在转换速度慢、控制电路消耗功率大、短路承受能力弱、导致2次击穿的发生等问题。于是，芯片材料的升级迫在眉睫。
碳化硅材料为大功率芯片的出现提供了契机，首先将二极管(Dn、WDn)更换成了SiC SBD出现了混合碳化硅PFC电路，后来出现了采用SiC MOSFET和SiC SBD的全碳化硅PFC电路。通过采用碳化硅功率器件，因其材料高击穿场强、宽禁带、高热导率、高熔点、高电子饱和漂移速率等优异的性能如图4所示，使得碳化硅PFC电路模块可以在高温、高压、高频应用环境下使用，且能够提高工作电压，减小工作电流，降低传导损失，以达到提高转换效率的效果。
在芯片方面，以SiC MOSFET为例，全碳化硅PFC电路如图5所示，受限于碳化硅功率芯片的工艺制造、材料成本等问题，在应用方面暂时没有出现爆发式的增长，除了材料成本，MOS自身构架的复杂性，使其制造成本大大增加。而本专利采用SiC BJT芯片&SiC SBD芯片新型架构来替代SiC MOSFET芯片。BJT做为最早应用于电子领域的半导体器件，典型的三层式结构(集电极、基极、发射极)使其制造成本相对低。当前借助碳化硅材料制作的SiCBJT芯片，其在放大电流、开关电路以及作为电子开关等方面的表现突出，且因其制造和价格优势，使得该种架构在未来的碳化硅应用方面前景广阔。
在应用方面，当前碳化硅功率芯片在光伏逆变器PFC电路的应用多为单管，如每组混合碳化硅PFC电路中需要1个Si IGBT和2个SiC SBD；每组全碳化硅PFC电路中需要1个SiCMOSFET和1个SiC SBD。
专利文献为CN202010439352.2的发明专利公开了一种基于碳化硅MOSFET模块的大功率高功率密度变流器及结构，该模块整体结构依托碳化硅MOSFET的特性，可实现系统整体的高功率密度设计，但是因其芯片制造难度大、成本高，导致这种结构暂时没有得到广泛的应用。
实用新型内容
针对现有技术中的缺陷，本实用新型的目的是提供一种PFC电路模块及碳化硅功率芯片。
根据本实用新型提供的一种PFC电路模块，包括碳化硅三极管Q1、碳化硅二极管D1以及碳化硅二极管D2，其中：
碳化硅三极管Q1并联碳化硅二极管D1后与碳化硅二极管D2串联；
碳化硅三极管Q1、碳化硅二极管D1以及碳化硅二极管D2形成封装结构。
优选地，所述碳化硅三极管Q1、碳化硅二极管D1以及碳化硅二极管D2采用TO-247封装形式。
优选地，所述碳化硅三极管Q1、碳化硅二极管D1以及碳化硅二极管D2采用TO-247-4封装形式。
优选地，所述碳化硅三极管Q1集电极、碳化硅二极管D1阴极以及碳化硅二极管D2阳极连接至封装结构的第一引脚；
所述碳化硅三极管Q1发射极、碳化硅二极管D1阳极连接至封装结构的第二引脚；
所述碳化硅三极管Q1基极连接至封装结构的第三引脚；
碳化硅二极管D2阴极连接至封装结构的第四引脚。
优选地，碳化硅三极管Q1为NPN型碳化硅三极管。
优选地，所述碳化硅二极管D1为N型碳化硅二极管,所述碳化硅二极管D2为P型碳化硅二极管。
根据本实用新型提供的一种及碳化硅功率芯片，包括上述的PFC电路模块。
与现有技术相比，本实用新型具有如下的有益效果：
1、本实用新型采用全碳化硅PFC电路模块，大大降低了制造成本。
2、本实用新型解决由于容性负载导致电流波形严重畸变而产生的电磁干扰(EMI)和电磁兼容(EMC)问题。
3、本实用新型采用全碳化硅功率芯片使得PFC升压电路可以进一步减小电网负荷，降低谐波污染，提高电能利用率。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为PFC电路结构示意图。
图2为PFC电路模块封装图。
图3为纯硅基PFC电路示意图。
图4为Si材料与SiC材料物理性能比较图。
图5为全碳化硅PFC电路示意图。
图6为全碳化硅PFC电路TO-247-4模块封装示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本实用新型进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本实用新型，但不以任何形式限制本实用新型。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本实用新型的保护范围。
本实用新型采用模块化封装，将1颗SiC BJT芯片、2颗SiC SBD芯片，以TO-247-4的封装形式封成模块如图6所示，其体积仅有1个单管功率器件的大小，在今后光伏领域的使用中一块光伏板仅需搭配一个这样的PFC模块作为功率因数校正即可，不仅提升了功率密度，还极大的节省了PCB板的使用。在未来该款PFC电路的封装形式包含不限于TO-247这种封装形式，可以根据不用的应用场景匹配合适的封装形式。
进一步的，如图1和图2所示，本实用新型采用SiC BJT芯片和SiC SBD芯片组成PFC电路，并在模块封装上采用TO-247-4封装形式。与采用硅基模块(Si IGBT&Si FRD)相比,碳化硅模块得益于碳化硅自身材料的优势，使其具有比硅基低20～50倍的开关损耗以及更低的导通压降，因为开关损耗和导通压降的降低，模块整体的效率和性能得到大大提高。此外，碳化硅还具有高度稳定的晶体结构，其能带宽度可达2.2eV～3.3eV，几乎是Si材料的两倍，其载流子寿命短使其转换速度更快。综合上述优势也使得碳化硅模块可以克服硅基模块出现的众多问题，使其在电力电子中的应用更有优势。与当前混合碳化硅基模块(SiIGBT&SiC SBD)和全碳化硅模块(SiC MOSFET&SiC SBD)相比,该款碳化硅模块的优势在于采用了SiC BJT芯片和SiC SBD芯片，既保留了全碳化硅模块耐高温、耐高压、耐高频、低损耗，抗杂讯等优势，而且该款全碳化硅模块要比使用SiC MOSFET模块更有性价比，且不存在由SiC MOS构造导致的抗杂讯差等问题，在模块应用更有优势。
如图2所示，本实用新型采用TO-247-4的封装形式，但其封装形式包含不限于TO-247这种封装形式，可以根据不用的应用场景匹配合适的封装形式，TO-247-4这种封装形式具有体型小、适配度高、功率密度高等优点，将PFC电路封入一个模块即减少了单管使用数量，也提高了PCB板空间利用率，还使得整个系统的体积和重量得以优化。
除此之外，该款全碳化硅模块为未来碳化硅功率器件的应用提供了一种新的架构——SiC BJT&SiC SBD，并且将3颗芯片封成TO-247-4形式的模块。
本实用新型芯片采用1颗NPN型SiC BJT(Q1),1颗N型SiC SBD(D1),1颗P型SiC SBD(D2)。其中：一颗NPN型SiC BJT芯片反平行并联一颗N型SiC SBD芯片(D1)，其基极接外部控制信号3，控制SiC BJT的通断,SiC BJT的发射极外接2的引脚,P型SiC SBD芯片的阴极外接直流电压源。
其封装组成的结构为：碳化硅BJT(Q1)的集电极、N型SiC SBD芯片(D1)阴极和P型SiC SBD芯片(D2)阳极按图2中排列焊接到铜基板上共用引脚1引出；N型SiC SBD芯片(D1)的阳极与碳化硅BJT(Q1)的发射极通过键合线连接到引脚2；碳化硅BJT(Q1)的基极通过键合线连接到引脚3，用来接收外部控制信号；P型SiC SBD芯片(D2)阴极通过键合线连接到引脚4，外接直流电压源的正极。其封装结构如图2所示。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本实用新型的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本实用新型并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本实用新型的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (7)
1.一种PFC电路模块，其特征在于，包括碳化硅三极管Q1、碳化硅二极管D1以及碳化硅二极管D2，其中：
碳化硅三极管Q1并联碳化硅二极管D1后与碳化硅二极管D2串联；
碳化硅三极管Q1、碳化硅二极管D1以及碳化硅二极管D2形成封装结构。
2.根据权利要求1所述的PFC电路模块，其特征在于，所述碳化硅三极管Q1、碳化硅二极管D1以及碳化硅二极管D2采用TO-247封装形式。
3.根据权利要求2所述的PFC电路模块，其特征在于，所述碳化硅三极管Q1、碳化硅二极管D1以及碳化硅二极管D2采用TO-247-4封装形式。
4.根据权利要求1所述的PFC电路模块，其特征在于：
所述碳化硅三极管Q1集电极、碳化硅二极管D1阴极以及碳化硅二极管D2阳极连接至封装结构的第一引脚；
所述碳化硅三极管Q1发射极、碳化硅二极管D1阳极连接至封装结构的第二引脚；
所述碳化硅三极管Q1基极连接至封装结构的第三引脚；
碳化硅二极管D2阴极连接至封装结构的第四引脚。
5.根据权利要求1所述的PFC电路模块，其特征在于，碳化硅三极管Q1为NPN型碳化硅三极管。
6.根据权利要求1所述的PFC电路模块，其特征在于，所述碳化硅二极管D1为N型碳化硅二极管,所述碳化硅二极管D2为P型碳化硅二极管。
7.一种及碳化硅功率芯片，其特征在于，包括权利要求1-6任一项所述的PFC电路模块。
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