Rast uporabe silicijevega karbida (SiC) v močnostni elektroniki postaja vse hitrejša, saj omogoča manjše izgube moči in stikalne izgube skupaj z manjšo velikostjo v primerjavi s silicijem – hkrati pa padajo tudi cene, tako da je to vedno bolj privlačna izbira za razvijalce močnostne elektronike.
Rutronik GmbH
Avtorji: Thomas Bolz in Emilia Mance
2021-299-18
Pri močnostni elektroniki trg zahteva vedno večjo stikalno zmogljivost pri vedno višjih napetostih. Pri izbiri komponent za načine uporabe, kot so krmilni sistemi za industrijske motorje, proizvodnjo električne energije iz obnovljivih virov in elektromobilnost, pa so ključni tudi potreben prostor, masa ter izkoristek. Cilj je zmanjšati stroške in potrebno delo, hkrati pa povečati kakovost končnih izdelkov.
Tukaj so običajno standardni izdelek silicijeve (Si) diode, vendar pa SiC-komponente ponujajo pomembne prednosti, zlasti od napetosti 600 V navzgor. Visokozmogljive komponente v vezjih se vedno uporabljajo z impulznimi tokovi, zato je treba upoštevati tudi stikalne izgube in elektromagnetne motnje, ki jih povzročajo prehodni zaporni tokovi.
Stikalne izgube in izgube zaradi prevodne napetosti
Stikalne izgube nastanejo pri vsakem preklopu, na primer ko komponento vklopimo ali izklopimo. S povečevanjem stikalnih frekvenc se povečujejo tudi s tem povezane izgube in s tem celotne izgube sistema. Pri visokih stikalnih frekvencah je pomemben del skupnih izgub sistema povezan s stikalnimi izgubami. Če za take načine uporabimo Si-komponente, zahtevajo velike izgube moči in posledično segrevanje omejevanje bremenskega toka ali drago hlajenje.
Pri frekvenci električnega omrežja so najpomembnejše izgube zaradi prevodne napetosti, pri stikalnih frekvencah od nekaj 100 Hz navzgor pa prevladajo stikalne izgube.
Pri zelo visoki povratni napetosti so pomembne tudi izgube zaradi zaporne napetosti – zlasti pri visokih temperaturah. V takih primerih so idealne Schottkyjeve SiC-diode, saj zagotavljajo zelo majhne prehodne zaporne tokove in kratke čase zapornega prehodnega pojava, kar omogoča bistveno zmanjšanje s tem povezanih izgub energije.
Za izračun skupnih izgub velja:
Pv = Ps + Pt + Pr (stikalne izgube + izgube zaradi prevodne napetosti + izgube zaradi zapornega prehodnega pojava)
Izgube moči na diodi naraščajo s povečevanjem prevodnega toka pri prevodni napetosti, pri zaporni napetosti pa so stalne. Zaradi tega predstavlja zaporni tok IR Schottkyjeve SiC-diode pri stikalnem pretvorniku navzgor nezanemarljiv del celotnih izgub pri nizkih izhodnih tokovih. Pri visokih tokovih pa prevlada prevodna napetost UF. Ker Schottkyjeva dioda večino časa deluje v zapornem načinu, zaporni tok med zapornim prehodnim pojavom pomembno vpliva na izgube moči na diodi, zato ni dovolj le čim nižja prevodna napetost diode. Bolj smiselno je razmišljati o IR in UF skupaj ter oceniti, kako oba prispevata k skupnim izgubam na diodi.
Višja izhodna napetost stikalnega pretvornika navzgor pomeni daljši čas vklopa in daljši čas delovanja Schottkyjeve diode v zapornem načinu. Zmanjšanje prevodne napetosti s Schottkyjevimi diodami poveča preostali zaporni tok, zato je treba najti idealno diodo.
Pri izbiri diod je torej bistveno zmanjšanje izgub zaradi prevodne napetosti, stikalnih izgub in naboja, hkrati pa je treba zagotoviti čim višjo napetost odpovedi ter mehko komutacijo. Pri zagotavljanju dobre energetske učinkovitosti je pri Schottkyjevih diodah upoštevanje skupnih izgub pogosto bolj logično od preverjanja posameznih parametrov enote.
Zaradi manjših stikalnih izgub in odsotnosti konic zaradi prehodnega pojava ob izklopu diode imajo Schottkyjeve SiC-diode veliko večji izkoristek kot Si-diode. Radijske motnje se ustrezno zmanjšajo in izboljšajo se elektromagnetne lastnosti celotnega sistema.
Delovna temperatura in toplotna zasnova
Toplotna zasnova je ključna za sisteme z močnostno elektroniko, saj nam zagotavlja visoko gostoto moči in s tem omogoča proizvodnjo bolj kompaktnih sistemov. Pri velikih tokovih so Schottkyjeve Si-diode občutljive za pregrevanje. Kombinacija visokih temperatur in zato večjega zapornega toka (IR) lahko povzroči zvišanje temperature ohišja ter okolice. Pri napačni toplotni zasnovi lahko zato toplotna moč doseže vrednosti, ki jih ni mogoče odvesti. To lahko povzroči »toplotni pobeg«, zelo hitro kopičenje toplote, ki lahko poškoduje komponento ali celo celoten sistem.
Temperaturna karakteristika Schottkyjevih SiC-diod je bistveno drugačna od Schottkyjevih Si-diod. Toplotna prevodnost silicijevega karbida je skoraj trikrat večja kot pri siliciju, tako da je SiC idealen za višje temperature delovanja. Manjše toplotne izgube pri delovanju močnostnih SiC-polprevodnikov pomenijo večji izkoristek in zahtevajo manjše hladilnike, kar zmanjša potrebo po prostoru ter maso sistema.
Ker se prevodna napetost Vf povečuje pri višjih temperaturah skupaj z obratovalno upornostjo, to pomaga preprečiti toplotni pobeg in omogoča vzporedno vezavo Schottkyjevih SiC-diod. Zaradi pozitivnega temperaturnega koeficienta so od silicijevih diod primernejše tudi za vzporedna vezja pri visokih napetostih.
Popravljanje faktorja moči
Evropski standard EN 61000-3-2 opredeljuje mejne vrednosti vsebnosti harmoničnih komponent toka za naprave, namenjene prodaji širši javnosti, za različne delovne moči. Določa tudi omejitve in izjeme, kadar je presežena moč 75 W. V praksi to pomeni, da za osnovno pretvorbo iz izmenične v enosmerno napetost uporaba mostičnega usmernika z naknadnim filtriranjem v mnogih primerih ni dovoljena, saj povzroča impulzni tok, ki ima večjo vsebnost harmoničnih komponent. Za vzdrževanje približno sinusne oblike toka uporabljamo pretvornike navzgor, ki delujejo kot predhodni regulator faktorja moči oziroma naprava za popravljanje faktorja moči (angl. Power Factor Corrector – PFC).
Pretvornik CCM-PFC (delovanje z neprekinjenim prevajanjem – angl. Continuous Conduction Mode) je največkrat uporabljena aktivna topologija za zelo zmogljive napajalnike. Ta zasnova postavlja naslednje zahteve za stikalno diodo:
- kratek čas/majhen naboj zapornega prehodnega pojava (trr/Qrr), da zmanjšamo izgube ob vklopu MOSFET-tranzistorja in stikalne izgube diode,
- majhna prevodna napetost Vf za zmanjšanje izgub v prevodnem načinu,
- mehka krivulja zapornega povratnega pojava za zmanjšanje sevanja elektromagnetnih motenj (EMI),
- za take primere je idealna rešitev Schottkyjeva SiC-dioda.
Najboljša dioda za različne namene uporabe
Pri nizkonapetostnih napravah so prva izbira Si-diode. Pri visokonapetostnih napravah v območju od 600 do 1200 V pa SiC-diode zagotavljajo pomembne tehnične prednosti, ki prevladajo nad višjo ceno. V območju od 200 do 600 V sta kritična dejavnika stikalna frekvenca in tok. SiC-diode potrebujemo v različnih napravah, med drugim v polnilnicah in vgrajenih polnilnikih (OBC) za električne avtomobile (OBC), v močnostnih pretvornikih za električna ter hibridna vozila, v stikalnih napajalnikih in PFC-vezjih, kot stikalne diode za tuljave ter MOSFET/IGBT-tranzistorje in za pretvornike v razsmernikih za sončno ter vetrno energijo.
Podjetje Rutronik ponuja ultrahitre visokonapetostne diode STMicroelectronics. Te so idealne za stroškovno občutljive načine uporabe in z nizko prevodno napetostjo Vf primerne tudi za vhod mostičnega usmernika. Te Si-diode STTHxx so namenjene za napetosti od 600 do 1200 V in prenesejo tokove od 5 do 30 A.
Usmerniška Schottkyjeva SiC-dioda Schottky STPSC10H12 zagotavlja nizko prevodno napetost, zaradi materiala s širokim prepovedanim pasom pa ima nazivno napetost 1200 V. Schottkyjeva zasnova pomeni, da zaporni prehodni pojav nima izrazite konice in je nihajna frekvenca zanemarljiva. Minimalna kapacitivna stikalna karakteristika je neodvisna od temperature. SiC-dioda STPSC10H12 je še posebej primerna za uporabo v PFC-sistemih in sekundarnih napravah, saj poveča zmogljivost v težkih stikalnih pogojih. Specificirana je za delovanje s temperaturo spoja od –40 do 175 °C. Na voljo je tudi različica za avtomobilsko industrijo po standardu AEC Q101, STPSC10H12-Y, ki podpira tudi PPAP-proces.
Rutronik GmbH,Podružnica v Ljubljani
Motnica 5, 1236 Trzin, Slovenia
E-pošta: rutronik_si@rutronik.com
Tel. +386 1 561 09-80
https://www.rutronik.com
