为了证明SiC器件在应用水平上的性能，罗姆与弗赖堡的弗劳恩霍夫太阳能系统研究所（ISE）合作，在电力电子领域提供了应用级经验，从而为他们提供了丰富的经验。
Fraunhofer ISE的电力电子部门是许多行业的国际领先研发合作伙伴，其活动范围从几瓦到兆瓦级不等。主要的发展领域是光伏并网逆变器，存储系统，电动汽车和电网。
最初为光伏应用开发的方法，技术和解决方案被采用并应用于其他行业，例如铁路系统，汽车等。自从一开始，Fraunhofer ISE就推广了SiC技术并展示了其优势，这些设备在系统级为电力电子产品提供通过构建效率很高的紧凑型逆变器。
ROHM Semiconductor是功率模拟IC，低功率MCU，分立器件和功率器件的领先公司。为了追求卓越和高品质的产品，罗姆已经垂直整合了其碳化硅供应链。SiC MOSFET，SBD，模块和栅极驱动器产品组合已在Bodo的Power杂志（2015年4月版）中详细介绍。
二极管的击穿电压为650 V，1200 V和1700 V，在标准封装和裸片中的额定电流为5A-100A。裸露裸片和TO-247的MOSFET分别为45 mOhm，80 mOhm，160 mOhm，280 mOhm和450 mOhm。对于1200 V的新型第三代MOSFET，已经为PCIM发布了40 mOhm的电压，而在1200 V时，将继而推出30 mOhm和22 mOhm的功率。在650 V时，将提供30 mOhm，22 mOhm和17 mOhm。
硅与碳化硅技术比较由于其高的击穿电场，高的导热性和宽带隙，SiC是当今最有前途的半导体材料之一。最近十年来开发出了新的更好的处理技术，从而有可能生产出基于SiC材料的不同双极和单极功率器件。与Si器件相比，这种材料的物理材料特性（参见图1）具有非常好的静态和动态性能。此外，如果封装允许的话，宽带隙与更高的热导率相结合，可使设备在很高的温度下工作。
SiC组件具有巨大的潜力，可降低功率电子转换器的系统成本，同时通过提高效率和工作频率来减小散热器和电感组件的尺寸。较高的效率一方面导致从电池汲取的能量减少，另一方面导致减小散热器的尺寸。此外，由于SiC晶体管的开关能量较小，因此与传统的逆变器相比，开关频率可以提高三到九倍，这将无源元件的尺寸减小了几乎相同的倍数。
尽管如此，在设计此类系统时，硬件设计人员仍面临一些挑战。切换期间的高di / dt和du / dt比要求仔细设计所有切换回路和节点。设计中每增加一个寄生电感都会导致电压/电流尖峰，在最坏的情况下可能会导致EMC问题。精心设计的小开关路径是良好SiC布局的前提，并且与Si系统相比，SiC-所需的开关路径要多得多。
由于高开关速度也会对栅极驱动电路产生影响，因此所采用的驱动器应具有较高的抗共模噪声的能力。
图1：适用于功率电子半导体的Si和SIC的物理材料特性[3]
在上一篇文章（请参阅Bodo的电源系统的链接）中，对各种UPS系统做了简短描述。对于此项目，输入电压范围为700 V – 1000V。
交流输出电网电压为400 V，RMS电流约为15 Arms。为了更好地进行比较，10 kW是合适的输出功率，因为该系统将为三相，易于操作并且非常适合可用SiC器件的额定功率。此外，通常需要1200 V的击穿电压，其中有多种选择，可从不同的拓扑和电平中进行选择，例如半桥，中性点钳位（NPC）和混合中性点钳位（MNPC）（见图2）。
表15显示了半桥，NPC和MNPC的比较概述，以及为什么选择了三级MNPC（混合中性点钳位）拓扑。可以在文献中找到的该拓扑的其他名称是“中性点先导”（NPP）和“ T型”拓扑。与其他三级拓扑相比，这种拓扑提供了最高效率的可能性[4]。
图2：NPC和MNPC拓扑[7]
为满足四个晶体管的400 V栅极阻断要求而选择的器件导致了两个（S2206，120 mOhm，一代MOSFET和S6206，12A，SBD一代）和两个1200 V器件（S2301，80 mOhm，一代MOSFET）的应用和S6206，12 A，SBD世代）。仿真表明，尽管开关频率fs为100 kHz，但在半导体中仍可实现低损耗。一相和三相的仿真结果如图3所示。
图3：标称负载（10kVA，cos（φ）= 1，VIN = 700VDC，380VAC，fs = 100 kHz）下的半导体损耗仿真的仿真结果
开关频率是商用系统的三倍，并且允许在输出滤波器中使用小型无源元件。整个10 kW系统具有所有必需的外围设备，散热器和安全功能，尺寸仅为23 cm x 21 cm x 10 cm，相当于不到5 l的体积。重量仅为4.5千克。
为了评估新型第三代SiC MOSFET，已经订购了其他模块，包括S4007 * MOSFET（650 V，80 mOhm，第三代MOSFET）。新的Trench设备具有双重Trench Gate结构，与第二代产品相比，每单位面积的特定RDS开通率降低了50％。对于第三代，可以减小体二极管的VF并将最大VGS从-6 V增加到-10 V，同时使阈值漂移保持稳定。S4007的总栅极电荷仅为50 nC，输入电容为577 pF。这将以较小的芯片尺寸带来更高的效率。
如上所述，高开关速度要求高共模噪声抗扰度，以避免栅极驱动器电路中出现故障信号。罗姆简单而复杂的栅极驱动器产品组合具有高输出电流（3 Arms，5 Apeak），小延迟时间（75 ns），并且由于采用了无铁芯变压器设计，因此开启和关闭延迟时间与温度无关，因此不会产生失真光耦合器。所有栅极驱动器均通过UL1577认证，并具有100 kV / us的共模抗扰性。为了优化空间，选择了BM60015FV，其包装尺寸为3.5 mm x 10 mm x 1.8 mm。此外，BM60015FV的隔离电压为3.75 kV（增强的VDE 0884-10），可根据要求提供样品和评估板。
打包除了拓扑外，设计人员始终可以选择哪种封装。IGBT大约在35年前就已开发，并且从那以后的每一代都得到了改进。但是，由于IGBT受开关频率的限制，因此在分立封装方面没有太多创新，因此市场上没有推动进一步封装开发的动力。可以选择TO-247，TO-220或表面贴装设备，例如TO-252，TO-263或TO-268。这些封装由于价格便宜而被广泛使用，但在TO-247和TO-220的情况下它们具有较大的杂散电感（〜10nH）。因此，它们并不十分适合SiC器件，因为杂散电感会导致高dv / dt，从而在开关过程中引起电压过冲或额外损耗。
这增加了能量密度，因此增加了冷却装置和散发热量的需要。开发新封装涉及高成本，此外，由于缺少第二个采购，电力电子市场存在无法适应该封装的危险。
对于该项目，选择使用具有以下优势的模块：易于安装，快速安装，低且恒定的杂散电感，以及针对定制解决方案的灵活性，例如自由选择引脚位置。在MNPC拓扑中，选择了Vincotech的flow 0程序包。一个模块包含一个分支的MNPC拓扑。此外，还选择了压配合销，从而实现了无焊组装，设计灵活性以及易于PCB维修和重复使用的目的。该模块具有5 nH的杂散电感（DC +/-与中性线），Al3O2基板以及从芯片到散热器的RTH为0.7 K / W。可以使用可选的相变材料，该材料一旦被加热，就可以优化热界面（最多减少20％的RTH），并降低DBC裂纹的风险。
图4：尺寸为23厘米x 21厘米x 10厘米，重量为4.5千克的10kW UPS逆变器
外表Fraunhofer ISE用ROHM SiC和栅极驱动器设备开发了一款10kW的三相UPS逆变器，如图4所示。100kHz的高开关频率导致输出端的无源滤波器组件和输入电容小，从而使输出电容器和输入电容器变小。除了体积更小，重量更轻之外，还可以降低系统成本。半导体中的低损耗可集成一个用于冷却所有三相的小型有源散热器。
已选择外部SBD以优化效率和热管理。
作为另一种选择，还可以考虑使用MOSFET的体二极管-该二极管完全合格且额定电流与MOSFET相同，与FWD相同。系统的高逆变效率减少了系统充电期间的能源浪费，并可以降低系统整个使用寿命内的成本。
逆变器的小尺寸和低重量显示了系统级的优势，这可以通过在MNPC UPS逆变器中应用功率为10kW的SiC器件来实现。
选择UPS作为应用是因为它是一个不断增长的市场，非常适合展示SiC器件的优势。未来的UPS市场还将要求减小尺寸和重量。结果可以轻松地用于驱动逆变器。目前，系统正在构建和测试中。在2015年5月26日至28日于斯德哥尔摩举行的ISICPEAW期间，将提供最终结果和实际测量数据。
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