V svetu močnostne elektronike velja, da večje nikoli ni boljše. To še posebej velja za visokonapetostne napajalne sisteme, kjer oblikovalci zahtevajo boljšo polprevodniško tehnologijo, da bi izpolnili zahteve strank po manjših, lažjih, zanesljivejših, učinkovitejših in cenejših pretvornikih.
Microchip Technology
Avtorja: Xuning Zhang in Kevin Speer
Pri silicijevih MOSFET-ih in silicijevih IGBT-ih je treba sprejeti kompromise; na primer izbrati je treba bodisi najzanesljivejšo ali najučinkovitejšo zasnovo, vendar ne moremo izbrati obeh hkrati. Visokonapetostni silicijevi karbidni (SiC) MOSFET-i so ključ, ki ga oblikovalci potrebujejo, da se osvobodijo okovov silicija.
Napajalni močnostni SiC tranzistorji z delovno napetostjo od 650 do 1200 V že skoraj dve desetletji prodirajo na trg in končno omogočajo oblikovalcem revolucionaren napredek v tehnologijah in končni opremi – hkrati izboljšujejo zmogljivost, zanesljivost, velikost, težo in celo ceno. Nedavna izdaja 1700-voltne družine SiC izdelkov razširja neštete prednosti SiC, da bi pomagala premakniti paradigmo pretvorbe energije v nove končne segmente, kot so elektrificirana komercialna in težka tovorna vozila, vlečna in pomožna energija lahkih železnic, obnovljivi viri energije in industrijski pogoni.
V tem članku so podrobno obravnavane prednosti 1700V SiC MOSFET-ov v primerjavi z obstoječimi silicijevimi rešitvami v širokem razponu moči – od vatov do megavatov.
Desetine do stotine vatov
Kakšen je lahko razlog za uporabo 1700V tranzistorja pri tako nizki ravni moči? Čeprav je samo en, je vseprisoten: pomožni napajalnik (AuxPS), ki ga najdemo v vsakem sistemu močnostne elektronike, je bistven za rutinsko delovanje industrijskih motornih pogonov, električnih vozil, podatkovnih centrov in rezervnega napajanja, solarnih inverterjev, polnilne infrastrukture in še več. Napajalnik AuxPS je kritičen za sistem, saj zagotavlja napajanje gonilnikov vrat, zaznavnih in krmilnih vezij ter hladilnih ventilatorjev; zato napajalnik AuxPS ne sme odpovedati in vsa s tem povezana tveganja je treba zmanjšati.
Ker se ti nizkonapetostni, izolirani, stikalni napajalniki uporabljajo v različnih aplikacijah po vsem svetu, morajo sprejemati širok razpon visokonapetostnih enosmernih vhodov (od 300 do 1000 V) in zagotavljati nizkonapetostni vir (od 5 do 48 V). Morda najmočnejša metoda za zmanjšanje okvar je poenostavljena zasnova vezja. Kot je prikazano na sliki 2, je najzanesljivejša zasnova vezja topologija z enim stikalom flyback (slika 2, desno), ki zagotavlja preprostost in manjše število komponent – slednje pomeni tudi nižje skupne stroške.
Uvedba 1700-voltnih SiC MOSFET-ov je idealna rešitev za AuxPS. Te tranzistorji združujejo visoko prebojno napetost, nižjo specifično vklopno upornost in hitro preklopno hitrost, zato so primerni za topologijo z enim flyback stikalom. Nasprotno pa imajo rešitve na osnovi silicija bodisi prenizko nazivno napetost, kar zahteva arhitekturo z dvema stikaloma (prikazano na sliki 2, levo) a tem pa se podvoji možnost okvare; bodisi imajo ustrezno nazivno napetost, vendar slabo zmogljivost, malo dobaviteljev in v primerjavi s SiC, višjo ceno.
Poleg izboljšane zanesljivosti, preprostejše nadzorne sheme, manjšega števila komponent in nižjih stroškov je lahko AuxPS, ki uporablja 1700V SiC MOSFET-e, tudi manjši. Površinsko normalizirana upornost v stanju vklopa, imenovana tudi specifična upornost vklopa (Ron,sp), je pri MOSFET-ih SiC le delček tiste pri silicijevih MOSFET-ih. To pomeni, da se lahko za manjšo rezino uporabijo manjša ohišja, prevodne izgube pa se zmanjšajo, kar lahko na koncu privede do manjših (ali popolnoma odstranjenih) hladilnih teles. Poleg tega imajo SiC MOSFET-i manjše stikalne izgube, kar omogoča zmanjšanje velikosti, teže in stroškov transformatorja s povečanjem stikalne frekvence.
Več deset do stotin kilovatov
Če se pomaknemo na višji razpon moči, 1700-voltni SiC MOSFET-i zagotavljajo številne prednosti pred silicijevimi MOSFET-i in IGBT-i tudi v aplikacijah z močjo od deset do sto kilovatov. Primeri vključujejo verižne in centralne solarne inverterje, pomožne napajalne enote (APU) v komercialnih prevoznih sredstvih, indukcijsko ogrevanje in varilne stroje, industrijske pogone, vetrne pretvornike in drugo.
S povečevanjem moči se povečuje tudi vpliv hitrejšega in učinkovitejšega preklapljanja. V primerjavi s silicijevimi IGBT se pri SiC MOSFET-ih v povprečju za 80 % zmanjšajo stikalne izgube, kar pretvornikom omogoča povečanje stikalne frekvence ter zmanjšanje velikosti, teže in stroškov obsežnih in dragih transformatorjev. Čeprav so prevodne izgube SiC MOSFET-ov in silicijevih IGBT-jev pri večjih obremenitvah podobne, veliko aplikacij večino svoje življenjske dobe deluje v tako imenovanih “pogojih majhne obremenitve”. Poglejmo nekaj primerov: sončni pretvorniki, ki delujejo v oblačnih dneh ali v senci; pretvorniki vetrnih turbin v mirnih dneh; ali vrata vlakov (ki jih odpirajo/zaklepajo transportne APU), ki so skoraj ves čas zaprta. V teh zelo pogostih pogojih lahke obremenitve imajo SiC MOSFET tranzistorji manjše prevodne izgube, ki dopolnjujejo zmanjšane stikalne izgube, kar omogoča zmanjšanje toplotnega odvajanja ali drugih ukrepov za toplotno upravljanje.
Z vidika zanesljivosti MOSFET-i SiC oblikovalcem omogočajo poenostavitev topologije vezja in nadzorne sheme ter zmanjšanje števila komponent, kar je seveda povezano z nižjimi stroški. Zaradi potreb po večji moči teh pretvornikov srednje moči se uporablja višja napetost enosmernega vodila – običajno med 1000 in 1300 V. Pri izbiri silicijevih tranzistorjev za uporabo pri teh visokih enosmernih povezovalnih napetostih morajo oblikovalci zaradi zahtev po učinkovitosti izbirati med nekaj zapletenimi, tristopenjskimi arhitekturami vezij. Na sliki 3 so prikazani diodno vezje z nevtralno točko (NPC), aktivno vezje NPC ali vezje tipa T. Nasprotno pa uporaba 1700V SiC MOSFET omogoča oblikovalcem, da se osvobodijo teh omejitev in se vrnejo k elegantnejšemu dvostopenjskemu vezju, prikazanemu na desni strani slike 3, kar zmanjša število naprav za polovico in racionalizira nadzor.
Omeniti je treba pomen močnostnega ohišja in ustreznega krmiljenja vrat SiC MOSFET-ov. Ker lahko SiC preklaplja velike moči pri zelo visokih hitrostih, je treba paziti, da ne pride do prekoračitve napetosti in da se zmanjšajo emisije šuma. Pretvorniki srednje moči v teh aplikacijah običajno v manj kot mikrosekundi izklopijo na stotine amperov na 1000-1300 V vodilu, kar zahteva čim manjšo induktivnost ohišja, inteligentne in hitro delujoče gonilnike vrat ter optimalno postavitev sistema.
Kombinacija močnostnega ohišja SP6LI podjetja Microchip Technology z AgileSwitch® družino digitalnih gonilnikov vrat oblikovalcem zagotavlja pripravljene rešitve, s katerimi lahko iz 1700V SiC MOSFET-ov potegnejo največ, ne da bi se soočali s temi pogostimi izzivi.
Megavati
Pri večmegavatnih zmogljivostih sta ključna dejavnika zasnove enostavna razširljivost in minimalno vzdrževanje, kar spodbuja uporabo modularnih rešitev, ki temeljijo na osnovni enoti. Kot je prikazano na sliki 4, so enote, včasih imenovane gradniki močnostne elektronike ali podmoduli, konfigurirane kot kaskadni pretvorniki s H mostičkom ali modularni večnivojski pretvorniki (MMC). Megavatne aplikacije vključujejo polprevodnike (SST), srednjenapetostne enosmerne distribucijske sisteme, pogonske enote (TPU) v komercialnih in težkih vozilih, centralne sončne pretvornike in pretvornike vetra na morju ter sisteme za pretvorbo energije na ladjah.
V preteklosti so se v enoti uporabljali silicijevi IGBT polprevodniški elementi z delovno napetostjo od 1200 do 1700 V. Podobno kot pri aplikacijah z manjšo močjo, se z uporabo 1700V SiC MOSFET-ov na ravni enot povečajo njihove zmogljivosti za prenos moči in električne zmogljivosti. Kot smo že omenili, imajo 1700V SiC MOSFET-i veliko manjše stikalne izgube, kar omogoča povečanje stikalne frekvence in drastično zmanjšanje velikosti vsake enote. Poleg tega visoka 1700 V blokirna napetost zmanjšuje število enot, potrebnih za enako enosmerno napetost povezave, kar povečuje zanesljivost sistema in zmanjšuje stroške.
Povzetek
Prihod 1700-voltnih SiC MOSFET-ov prinaša koristi različnim aplikacijam in končni opremi, saj zagotavljajo večjo zanesljivost in nižje stroške – oboje je mogoče tudi ob hkratnem zmanjšanju velikosti, teže in učinkovitosti pretvornikov. Visokonapetostni SiC MOSFET tranzistorji z zmogljivostjo od vatov do megavatov oblikovalcem omogočajo, da presežejo silicijeve kompromise in uvedejo prelomne izboljšave sistemov za pretvorbo energije. Poleg najbolj robustnih SiC napajalnih naprav v panogi, naprednega napajalnega ohišja z izjemno nizko parazitno induktivnostjo in digitalnih gonilnikov vrat oblikovalcem pomagajo, da izkoristijo največjo vrednost SiC in pospešijo čas za lansiranje na trg.
Podjetje Microchip Technology je razširilo svojo SiC ponudbo z uvedbo 3,3 kV SiC MOSFET-ov z najnižjo vklopno upornostjo [RDS(on)] in SiC SBD-jev z najvišjo tokovno vrednostjo, kar oblikovalcem 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 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.
