Konstruktorji visokonapetostnih napajalnih sistemov so se trudili zadovoljiti potrebe strank po stalnih inovacijah pri uporabi silicijevih MOSFET-ov in IGBT-jev.
Microchip Technology
Avtorja: Xuning Zhang in Kevin Speer
Želene zanesljivosti pogosto ni mogoče doseči brez žrtvovanja učinkovitosti, prav tako pa rešitve na osnovi silicija ne morejo izpolniti današnjih zahtev glede velikosti, teže in stroškov. S prihodom visokonapetostnih MOSFET-ov iz silicijevega karbida (SiC) pa imajo zdaj razvijalci priložnost izboljšati učinkovitost in hkrati rešiti vse druge izzive.
Današnji 1700-voltni SiC izdelki temeljijo na uspehu SiC napajalnih naprav z napetostjo od 650 do 1200 V, ki so se v zadnjih 20 letih vedno bolj uveljavljale. Tehnologija je že omogočila pomemben napredek končne opreme, zdaj pa z močnostnimi napravami z nazivno napetostjo 1700 V širi neštete prednosti SiC tehnologije na nove segmente končnega trga, vključno z elektrificiranimi komercialnimi in težkimi tovornimi vozili, vleko in pomožnim napajanjem lahkih železnic, obnovljivo energijo, industrijskimi pogoni in drugimi.
Razvijalci lahko z ustreznim močnostnim ohišjem in pravilnim krmiljenjem vrat povečajo prednosti 1700V SiC MOSFET-ov. To povečuje njihove prednosti pred obstoječimi silicijevimi rešitvami v najširšem možnem razponu ravni moči.
Prednosti pri nižjih ravneh moči
Prednosti 1700V SiC MOSFET tranzistorjev se začnejo že pri ravneh moči od nekaj deset do nekaj sto vatov. SiC tehnologija je idealna rešitev za pomožno napajanje (AuxPS), ki se uporablja v skoraj vsakem sistemu močnostne elektronike. Brez pomožnega napajanja ni mogoče napajati gonilnikov vrat, senzorjev in krmilnih vezij ali hladilnih ventilatorjev. Zaradi kritičnih funkcij je zanesljivost najpomembnejša prednostna naloga pri AuxPS aplikacijah.
Eden od načinov, kako 1700-voltni SiC MOSFET-i pomagajo ublažiti okvare AuxPS-ov, je njihova visoka prebojna napetost, nižja specifična vklopna upornost in visoka hitrost preklopa. Te lastnosti skupaj omogočajo bolj poenostavljeno zasnovo vezja z uporabo topologije z enim flyback stikalom (glej sliko 1). V primerjavi s tem imajo silicijeve rešitve bodisi prenizko nazivno napetost za to topologijo (kar zahteva arhitekturo z dvema stikaloma in podvoji tveganje okvare) bodisi žrtvujejo zmogljivost zaradi nazivne napetosti. Poleg tega niso na voljo pri dovoljšnjemu številu dobaviteljev in so dražji od SiC naprav.
Z omogočanjem topologije z enim flyback stikalom 1700V SiC MOSFET-i omogočajo, da današnji nizkonapetostni, izolirani stikalni napajalniki lažje podpirajo različne vhodne in izhodne zahteve. Sprejemajo lahko širok razpon visokonapetostnih enosmernih vhodov (od 300 do 1000 V) in izhodnih nizkonapetostnih virov (od 5 do 48 V). Topologija z enim flyback stikalom izboljšuje enostavnost, hkrati pa zmanjšuje število komponent in s tem povezane skupne stroške.
Poleg večje zanesljivosti, manj zapletene krmilne sheme, manjšega števila sestavnih delov in nižjih stroškov je lahko AuxPS, ki uporablja 1700V SiC MOSFET-e, tudi bolj kompakten. Površinsko normalizirana upornost v stanju vklopa, imenovana tudi specifična upornost vklopa (Ron,sp) SiC MOSFET-ov je le delček tiste, ki jo imajo silicijevi MOSFET-i. To pomeni, da se lahko za manjšo rezino uporabijo manjša ohišja in da se zmanjšajo prevodne izgube, kar lahko na koncu povzroči zmanjšanje (ali odpravo!) velikosti in stroškov hladilnih teles. SiC MOSFET-i imajo tudi manjše preklopne izgube, kar omogoča zmanjšanje velikosti, teže in stroškov transformatorja s povečanjem stikalne frekvence.
Slika 2 prikazuje stopnjo izboljšanja učinkovitosti v odvisnosti od izhodne moči pri različnih razpoložljivih SiC napravah. Pri današnjih najučinkovitejših napravah lahko razvijalci sistemov uporabijo celo pasivno hlajenje, tj. ni potrebno hladilno telo.
Koristi naraščajo s povečanjem predelane energije
Vpliv hitrejšega in učinkovitejšega preklapljanja SiC tehnologije se povečuje z večanjem procesne moči. Če se na lestvici moči pomaknete na deset ali sto kilovatov (kW), se SiC tehnologija lahko uporablja v številnih aplikacijah. Slika 3 prikazuje več-kilovatni trifazni pretvornik (v tem primeru 75 kW) in njegovo topologijo. Najdemo ga v pogonih za električna vozila, polnilnicah za električna vozila, solarnih inverterjih, UPS, motornih pogonih in še kje.
Slika 4 primerja učinkovitost te zasnove inverterja, ki uporablja 1700-voltne napajalne module v ohišju z nizko induktivnostjo, z učinkovitostjo alternativnih napajalnih polprevodnikov. SiC modul je pokazal največji 99,4 % izkoristek pri 10 kHz. Tudi ko se je stikalna frekvenca potrojila na 30 kHz, je SiC modul še vedno zagotavljal višji izkoristek kot silicijevi IGBT-ji. To omogoča zmanjšanje težkih in dragih filtrirnih komponent na samo tretjino njihove prvotne velikosti.
Na splošno MOSFET-i v primerjavi s silicijevimi IGBT-ji zmanjšajo stikalne izgube v povprečju za 80 %, kar pretvornikom omogoča povečanje stikalne frekvence ob hkratnem zmanjšanju velikosti, teže in stroškov obsežnih in dragih transformatorjev. Prevodne izgube tranzistorjev SiC MOSFET-ov in silicijevih IGBT-jev so pri velikih obremenitvah podobne, vendar je pomembneje upoštevati tako imenovane “lahke obremenitve”, v katerih številne aplikacije delujejo večino svoje življenjske dobe. Mednje spadajo solarni pretvorniki, ki so nameščeni v senci ali v oblačnih dneh, pretvorniki vetrnih turbin, ki delujejo v mirnih dneh, in vrata vlakov, ki jih pomožne pogonske enote (APU) le občasno odpirajo/zapirajo. SiC MOSFET-i v teh primerih uporabe zmanjšajo prevodne izgube v primerjavi s silicijevimi IGBT-ji, kar dopolnjuje njihove manjše stikalne izgube. Kombinacija manjših prevodnih in stikalnih izgub razvijalcem omogoča, da zmanjšajo ali odpravijo toplotno odvajanje ali druge ukrepe za upravljanje toplote.
Tako kot pri AuxPS aplikacijah z manjšo močjo tudi pri SiC MOSFET-ih, ki se uporabljajo v tem območju z večjo močjo, zanesljivost izboljša to, da lahko razvijalci uporabijo bolj poenostavljeno topologijo vezja in nadzorno shemo. S tem se zmanjša število komponent in s tem povezani stroški. V teh aplikacijah je zaradi potrebe po večji moči pretvornikov srednje moči potrebna uporaba višje napetosti enosmernega napajalnega vodila, običajno med 1000 in 1300 V. Da bi povečali učinkovitost, so morali razvijalci, ki uporabljajo silicijeve tranzistorje pri teh visokih enosmernih povezovalnih napetostih, tradicionalno izbirati med nekaj zapletenimi, tristopenjskimi arhitekturami vezij. Primeri vključujejo vezje z diodno nevtralno točko (angl. neutral point clamped NPC), aktivno vezje NPC (ANPC) in vezje T-tipa. To se spremeni s 1700-voltnimi SiC MOSFET-i, ki razvijalcem omogočajo uporabo dvostopenjskega vezja s polovico manjšim številom naprav in bistveno bolj poenostavljenim upravljanjem. Na primer, sistem, ki je prej uporabljal silicijeve IGBT v topologiji tristopenjskega vezja, lahko v zanesljivejši dvostopenjski topologiji uporabi polovico (ali še manj) 1700V SiC MOSFET modulov.
Slika 5 prikazuje, v kolikšni meri lahko razvijalci s SiC tehnologijo zmanjšajo skupno število delov za vezja NPC, ANPC in T-tipa. Ne da bi upoštevali prednosti več delov, ki so vzporedno povezani v vsakem položaju stikala, imajo različne arhitekture vezij, uporabljene z IGBT, od 4- do 6-krat več sestavnih delov kot SiC rešitev. Z zmanjšanjem števila delov se zmanjša tudi število gonilnikov vrat, poenostavi pa se tudi krmilna shema.
Prehod na aplikacije v megavatnem obsegu
Megavatne aplikacije segajo od polprevodniških transformatorjev (SST) in srednjenapetostnih distribucijskih sistemov za enosmerni tok do pogonskih enot (TPU) v komercialnih in težkih vozilih. Druge aplikacije vključujejo centralne solarne inverterje in pretvornike vetrnih elektrarn na morju ter sisteme za pretvorbo energije na ladjah. Na sliki 6 je prikazan primer modularnega več-nivojskega pretvornika.
Pri uporabi v tem več-megavatnem območju moči pretvornik za polprevodniški transformator, kot je prikazan zgoraj, uporablja več ravni zaporedno povezanih napajalnih celic, da izpolni zahteve glede napetosti. Vsaka celica je lahko polprevodniška ali »polnoprevodniška«. Nekateri konstruktorji se odločijo celo za tristopenjsko arhitekturo. Uporaba modularnih rešitev, ki temeljijo na osnovni enoti celice, izboljša razširljivost in hkrati zmanjša vzdrževanje. Te enotske celice, ki se včasih imenujejo gradniki močnostne elektronike ali pod-moduli, so konfigurirane kot kaskadni pretvorniki s H-mostiči ali modularni več-nivojski pretvorniki (MMC).
Za izvedbo teh enotnih celic so razvijalci v preteklosti uporabljali 1200- do 1700-voltne silicijeve IGBT-je. Ko jih na ravni enotne celice nadomestijo s 1700V SiC MOSFET-i, pride do enakega učinka, kot je opisan pri aplikacijah z manjšo močjo: boljša zmogljivost za prenos moči in električna zmogljivost. Manjše stikalne izgube 1700V SiC MOSFET-ov omogočajo povečanje stikalne frekvence. Velikost vsake enojne celice se bistveno zmanjša, visoka blokirna napetost 1700 V pa zmanjša število enojnih celic, ki so potrebne za enako napetost enosmernega toka. To na koncu poveča zanesljivost sistema zaradi manjšega števila celic in hkrati zmanjša stroške z uporabo manjšega števila aktivnih stikal in gonilnikov vrat. Na primer, če se 1700-voltna SiC rešitev uporabi v polprevodniškem transformatorju, ki deluje na 10 kV srednjenapetostnem distribucijskem vodu, se lahko število zaporedno povezanih celic zmanjša za 30 odstotkov v primerjavi s tistimi, ki uporabljajo silicijeve alternative.
Pomen močnostnih ohišij in pravilnega krmiljenja vrat
Ker lahko SiC MOSFET tranzistorji preklapljajo velike moči pri zelo visokih hitrostih, je treba ublažiti sekundarne učinke, vključno s šumom in elektromagnetnimi motnjami (EMI) ter omejenim časom vzdržljivosti kratkega stika in prenapetosti zaradi parazitivne induktivnosti in pregrevanja. Tipičen pretvornik srednje moči v manj kot mikrosekundi izklopi več sto amperov na 1000- do 1300-voltnem vodilu. Microchip ima na voljo možnosti ohišij SiC MOSFET modulov, ki znatno zmanjšajo parazitivno induktivnost. Mednje spadajo polmostična ohišja z le < 2,9 nanohenryja (nH) neželene parazitske induktivnosti, kar povečuje tok, stikalno frekvenco in učinkovitost (glejte sliko 7). Te vrste ohišij zagotavljajo tudi večjo gostoto moči in kompaktno obliko, kar omogoča manjšo količino vzporednih modulov za doseganje celotnih sistemov, kar pripomore k nadaljnjemu zmanjševanju velikosti opreme.
Poleg zmanjšanja induktivnosti ohišja in optimizacije postavitve sistema lahko razvijalci uporabijo tudi novo metodo krmiljenja vrat, ki je zasnovana posebej za ublažitev sekundarnih učinkov višjih hitrosti preklopa SiC MOSFET tranzistorjev. Današnji nastavljivi, inteligentni in hitro delujoči digitalni gonilniki vrat zmanjšajo prekoračitve napetosti ponora do vira (VDS) do 80 odstotkov v primerjavi s tradicionalnim analognim pristopom in zmanjšajo stikalne izgube do 50 odstotkov. Poleg tega skrajšajo čas do šestih mesecev in zagotavljajo nove razširjene stikalne zmogljivosti.
Te zmogljivosti razvijalcem omogočajo raziskovanje konfiguracij in njihovo ponovno uporabo za različne parametre gonilnika vrat, kot so profili preklopa vrat, kritični sistemski monitorji in nastavitve vmesnika krmilnika. Hitro lahko prilagodijo gonilnike vrat za podporo številnim različnim aplikacijam, ne da bi pri tem spreminjali strojno opremo, kar skrajša čas razvoja od priprave do proizvodnje. Prav tako lahko spreminjajo krmilne parametre med postopkom načrtovanja in spreminjajo stikalne profile na terenu po potrebi in/ali če/ko se slabša kakovost SiC MOSFET-ov.
Današnja ponudba SiC MOSFET-ov mora biti tudi del celovitega SiC ekosistema, ki zagotavlja neposredno pot od vrednotenja do proizvodnje. To vključuje prilagodljive možnosti modulov in digitalne gonilnike vrat, ki uporabnikom omogočajo, da s klikom miške optimizirajo zmogljivost sistema in skrajšajo čas do prihoda na trg. Drugi elementi ekosistema morajo vključevati adapterske plošče referenčnih modulov, nizkoindukcijski napajalni modul SP6LI, montažno strojno opremo in priključke za termistor in enosmerno napetost ter programski komplet za nastavljivo programsko opremo. Ekosistem dopolnjujejo spremljevalni diskretni izdelki.
Kontinuum prednosti
Visokonapetostni SiC MOSFET tranzistorji, ki se uporabljajo za pretvorbo električne energije, od vatov do megavatov, razvijalcem omogočajo, da presežejo kompromise silicijevih rešitev in spodbujajo inovacije pri razvoju sistemov za pretvorbo električne energije. Povečujejo zanesljivost in hkrati zmanjšujejo stroške ter hkrati zmanjšujejo velikost in težo učinkovitejših pretvornikov moči in sistemov napajanja. Pri uporabi z inteligentnim digitalnim krmiljenjem vrat 1700-voltni SiC MOSFET-i zagotavljajo največjo možno vrednost. Microchip ponuja široko paleto robustnih in zanesljivih SiC komponent v obliki rezine, diskretnih elementov in napajalnih modulov ter rešitev digitalnega gonilnika vrat, ki razvijalcem omogočajo enostavno, hitro in samozavestno uporabo SiC. Podjetje Microchip Technology je razširilo svojo ponudbo SiC z uvedbo 3,3 kV SiC MOSFET-ov z najnižjo vklopno upornostjo [RDS(on)] in SiC SBD-jev z najvišjim tokom, kar razvijalcem omogoča, da izkoristijo prednosti robustnosti, zanesljivosti in zmogljivosti. 3,3 kV MOSFET-i in SBD-ji podjetja Microchip dopolnjujejo široko paleto SiC izdelkov, ki vključuje 700V, 1200V in 1700V rezine, diskretne elemente, module in digitalne gonilnike vrat.
Opomba: Ime in logotip Microchip sta registrirani blagovni znamki podjetja Microchip Technology Incorporated v ZDA in drugih državah. Vse druge blagovne znamke, ki so morda tu omenjene, so last njihovih podjetij.
