Microchip Technology Inc.
Avtor: Nitesh Satheesh, višji vodja proizvodne linije v poslovni enoti za silicijev karbid podjetja Microchip Technology
Visoko napetostni IGBT-ji so desetletja zaradi velikosti, stroškov in zapletenosti izvedbe predstavljali neločljiv izziv pri načrtovanju. Medtem ko se je silicijev karbid (SiC) uveljavil in dobro obnesel v nizkonapetostnih (NN) aplikacijah (<1,5 kV DC), je dobro znano, da je SiC zelo primeren za srednje napetostne aplikacije pri 1,5 kV in več.
Zaradi povečanja na višje napetosti se zmanjša obremenitev ožičenja in medsebojnih povezav, zato so SiC polprevodniki prednostna tehnologija. Aplikacije na teh področjih se razvijajo in širijo, topologije pa zahtevajo polprevodnike z višjo napetostjo. Eden takih primerov je polnilnik za električna vozila za težke tovornjake, kjer so se uspešno izkazale 3,3 kV SiC naprave. Za polnjenje enega samega električnega tovornjaka bi potrebovali približno 600 kW energije – dovolj za napajanje 200 gospodinjstev.
Pri vlakih se SiC uporablja zaradi elektrifikacije sistemov, vključno z rešitvami, ki jih poganjajo baterije. Pri baterijskih rešitvah je morda potrebno, da polnilnik črpa energijo iz različnih virov, kot so srednje napetostni daljnovodi, za kar so poleg 3,3 kV naprav potrebne tudi visoke izolacijske napetosti med primarnim in sekundarnim območjem tokokrogov.
Gotovost dobave SiC polprevodnikov lahko predstavlja izziv za stranke z nizko- ali visoko serijskimi končnimi aplikacijami. Microchip ima široko paleto mSiCTM izdelkov od 700 V do 3,3 kV, ki jo sestavljajo matrice, diskretne komponente, moduli, MOSFET-i, diode in gonilniki vrat. Microchipove mSiC rešitve lahko obravnavajo široko paleto topologij, ki vključujejo tri ravni nizkonapetostnih naprav ali dve ravni srednje napetostnih naprav.
Fleksibilnost načrtovanja
Digitalni gonilniki vrat, kot so Microchipovi mSiC [1] gonilniki vrat, lahko odpravijo običajne izzive pri načrtovanju, povezane s SiC tehnologijo, kot so elektromagnetne motnje (EMI), prekoračitev napetosti in zvonjenje. Prav tako lahko zmanjšajo čas razvoja in hkrati omogočajo lažje nadgradnje zasnove za podporo prihodnjim napredkom na področju močnostne elektronike. Dodatne prednosti digitalnih gonilnikov vrat vključujejo zmanjšanje stikalnih izgub, izboljšanje gostote moči sistema, preprečevanje motečih izklopov ter ublažitev zvonjenja, prekoračitve in prenizke napetosti. Rešitve teh težav je mogoče rešiti z digitalnimi, nastavljivimi gonilniki vrat. Profili gonilnikov vrat se lahko enostavno in hitro spreminjajo glede na spreminjajoče se potrebe aplikacije. Poleg tega digitalni gonilniki vrat vključujejo zanesljivo zaščito pred kratkim stikom, kar je še posebej pomembno za SiC MOSFET-e pri višjih enosmernih napetostih.
Ključni element Microchipovega pristopa k digitalnemu krmiljenju vrat je patentirana tehnologija Augmented Switching™. Ta uporablja nastavljive profile za optimizacijo stikalne učinkovitosti in lastnosti naprave glede na potrebe aplikacije. Profili, ki zajemajo vrsto korakov, ki nadzorujejo napetosti na vratih in njihovo trajanje, se izvajajo za vklop in izklop vsakega stikalnega cikla. Načrtovalci lahko te profile konfigurirajo digitalno prek programske opreme, namesto da bi morali spreminjati strojno opremo. Tehnika vključuje tudi dodatne ravni zaznavanja spremljanja napak in zanesljivo zaščito pred kratkim stikom.
Slika 1 grafično prikazuje vmesne korake napetosti na vratih, ki so uvedeni s tehnologijo razširjenega preklapljanja. Korake in njihova ustrezna časovna trajanja je mogoče konfigurirati. Končne nastavitve so odvisne od konfiguracije končnega sistema in obratovalnih parametrov.
Močnostni moduli
Zaradi narave okolja v množičnem prometu, kot so udarci in vibracije, neprekinjena uporaba, velike spremembe delovne temperature, so potrebne robustne in zanesljive rešitve. To pomeni, da je treba upoštevati nestandardne materiale, da bi zagotovili daljšo življenjsko dobo. Podjetje Microchip je zaradi svoje dediščine na področju letalstva in obrambe razvilo knjižnico zmogljivosti, ki jih lahko uporabi za reševanje teh posebnih izzivov s svojimi mSiC [2] moduli Na primer, pri napajalnih modulih za množični prevoz je morda potreben AlSiC (aluminijev silicijev karbid) za podaljšanje življenjske dobe, medtem ko lahko pri industrijskih napajalnih modulih zadostujejo standardne bakrene osnovne plošče.
Poleg tega obstajajo konstrukcijski vidiki pri mSiC matriki, ki omogočajo, da zagotavlja daljšo vrednost. Zlasti mSiC matrike imajo ravno, a pozitivno krivuljo RDS(on) glede na temperaturo, kar načrtovalcem omogoča, da omejijo znižanje vrednosti pri obratovalni temperaturi. To omogoča, da se iz istega ohišja črpa večji tok.
Možna je tudi kombinacija silicijevega IGBT z antiparalelno SiC diodo; ta kombinacija se imenuje hibrid in je pogosta, kadar se napajalna naprava uporablja za pogon motorja. (npr. pogonska enota). Prednost hibrida je, da je cenejši (v primerjavi s popolno SiC rešitvijo) in deluje enako kot dosedanji pretvornik na osnovi IGBT, zato mora načrtovalec za boljšo zmogljivost preprosto zamenjati napajalno napravo.
Slika 2 prikazuje prilagodljivost, ki je na voljo pri načrtovanju Microchipovih napajalnih modulov.
Microchipov nov 3.3 kV Plug-and-Play digitalni krmilnik vrat
Microchipov novi XIFM 3,3 kV digitalni krmilnik vrat je plug-and-play rešitev, ki je popolnoma pripravljena za delovanje z napajalnim modulom. Ima optični vmesnik z razširjeno 10,2 kV izolacijo med primarnim in sekundarnim tokokrogom. Funkcionalnost tehnologije razširjenega preklapljanja in druge parametre krmilnika vrat, kot so mrtvi čas, izhodne napetosti vrat, je mogoče konfigurirati prek ugnezdene programske opreme, kar zmanjša zapletenost načrtovanja za končnega uporabnika. Krmilnik vrat je skladen tudi z okoljskimi in varnostnimi predpisi skladno s standardom EN 50155.
Zaključek
3,3 kV SiC naprave in ekosistem so dozoreli, kar je na trgu ustvarilo zadostno zaupanje za implementacijo v proizvodne modele. Srednje napetostne rešitve v železniškem prometu bodo še naprej rasle, saj uporaba SiC v primerjavi z obstoječimi rešitvami omogoča večjo učinkovitost.
Spletne povezave:
1: https://www.microchip.com/en-us/products/power-management/silicon-carbide-sic-devices-and-power-modules/sic-gate-drivers
2: https://www.microchip.com/en-us/products/power-management/silicon-carbide-sic-devices-and-power-modules/sic-modules
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.
