1700-woltowe MOSFET-y SiC uwalniają od kompromisów w nowoczesnych układach zasilających
| TechnikaProjektanci zasilaczy i napędów silników pracujących pod wysokim napięciem mają dużo trudności ze sprostaniem wymaganiom klientów i tworzeniem innowacyjnych produktów z użyciem krzemowych tranzystorów MOSFET i IGBT. Osiągnięcie pożądanej niezawodności często nie jest możliwe bez ustępstw w zakresie wydajności. Rozwiązania oparte na krzemie nie są też w stanie sprostać dzisiejszym potrzebom rynku dotyczącym rozmiaru, wagi i kosztów aplikacji. Jednak wraz z pojawieniem się na rynku wysokonapięciowych tranzystorów MOSFET z węglika krzemu (SiC) jest możliwość uzyskania dużej wydajności bez konieczności zgadzania się na kompromisy.
Dostępne dzisiaj 1700-woltowe tranzystory SiC są rozwinięciem technologicznym udanych wcześniejszych wersji tych komponentów o dopuszczalnym napięciu dren-źródło od 650 V do 1200 V, które w ciągu ostatnich 20 lat zyskały dużą popularność. Elementy o napięciu granicznym 1700 V rozszerzają niezliczone zalety technologii SiC na nowe segmenty rynku, w tym pojazdy o napędzie elektrycznym, lekkie pojazdy szynowe i sektor energii odnawialnej, napędy przemysłowe i wiele innych. Wykorzystanie tych możliwości jest możliwe dzięki nowym rozwiązaniom obudów tranzystorów ułatwiających integrację w systemie oraz sterownikom bramki. Zwiększa to jeszcze bardziej ich przewagę nad dotychczasowymi rozwiązaniami krzemowymi w najszerszym możliwym zakresie poziomów mocy.
Korzyści przy niższych poziomach mocy
Korzyści płynące z 1700-woltowych MOSFET-ów SiC zaczynają się już w układach o mocy od kilkudziesięciu do setek watów, takich jak pomocnicze źródła zasilania (AuxPS), które są używane w praktycznie każdym systemie energoelektronicznym. Bez AuxPS nie ma możliwości doprowadzenia zasilania do sterowników bramek, obwodów czujnikowych i sterujących lub wentylatorów chłodzących. Ze względu na funkcje o znaczeniu krytycznym niezawodność tej jednostki jest najwyższym priorytetem w takich aplikacjach.
MOSFET-y SiC o napięciu dopuszczalnym 1700 V mają nie tylko wysokie napięcie graniczne, ale także mniejszą rezystancję w stanie włączenia i zapewniają dużą szybkość komutacji. Łącznie właściwości te umożliwiają uproszczenie obwodów mocy poprzez rezygnację z rozbudowanych topologii konwersji energii, np. z wykorzystaniem konwerterów flyback z jednym przełącznikiem (rys. 1). Równoważne pod względem napięcia pracy i mocy rozwiązania oparte na krzemie albo wymagają użycia dwóch przełączników, albo mają gorszą sprawność. To podwaja ryzyko awarii, bo podzespołów w systemie niezbędnych jest dużo więcej.
Dzięki topologii flyback z jednym tranzystorem przełączającym MOSFET 1700 V SiC możliwe jest wykonanie prostego izolowanego zasilacza impulsowego małej mocy działającego w bardzo szerokim zakresie napięć wejściowych, od 300 V do 1000 VDC, dostarczającego na wyjściu napięcia z zakresu od 5 do 48 V. Takie rozwiązanie charakteryzuje się małą liczbą wymaganych komponentów, a więc także małym kosztem. Jest też bardziej niezawodne i ma prostszy układ sterowania. Zasilacz AuxPS wykorzystujący tranzystory MOSFET 1700 V SiC może być również bardziej kompaktowy. Znormalizowana powierzchniowo rezystancja w stanie włączenia, zwana również specyficzną rezystancją, w stanie włączenia (Ron,sp) tranzystorów MOSFET z węglika krzemu stanowi ułamek tego, co mają krzemowe MOSFET-y. Oznacza to, że obudowy i struktury półprzewodnikowe o mniejszych wymiarach zapewniają te same parametry, a straty przewodzenia też są mniejsze, co ostatecznie może skutkować nawet brakiem konieczności użycia radiatora, tj. wystarczające będzie proste pasywne rozpraszanie ciepła. Tranzystory MOSFET z tego materiału charakteryzują się również niższymi stratami komutacyjnymi, co umożliwia zminiaturyzowanie transformatora poprzez zwiększenie częstotliwości przełączania stopnia mocy. Rysunek 2 pokazuje, w jakim stopniu półprzewodniki SiC poprawiają sprawność w funkcji mocy wyjściowej.
Im większa moc, tym lepsze parametry
Korzyści z węglika krzemu zwiększają się wraz ze wzrostem mocy, tj. w aplikacjach operujących w dziesiątkach lub setkach kilowatów. Rysunek 3 przedstawia poglądowe rozwiązanie stopnia mocy trójfazowego falownika 75 kW. Jest to układ spotykany w pojazdach elektrycznych, ładowarkach EV, falownikach słonecznych, UPS-ach, napędach silników i innych.
Z kolei rysunek 4 pokazuje sprawność konwersji energii dla tego projektu wykonanego z użyciem tranzystorów SiC 1700 V w obudowach o małej indukcyjności pasożytniczej w odniesieniu do alternatywnych półprzewodników mocy. Maksimum to 99,4% przy 10 kHz, ale nawet dla większej częstotliwości kluczowania tj. 30 kHz, sprawność dla SiC nadal jest większa niż dla krzemowych IGBT.
Jak widzimy, MOSFET-y SiC mają straty przełączania średnio o 80% mniejsze w porównaniu do krzemowych IGBT, co umożliwia zwiększenie częstotliwości przełączania i miniaturyzację transformatora. Straty przewodzenia tranzystorów SiC MOSFET i krzemowych IGBT są podobne przy dużej mocy, ale ważniejsze jest to, co dzieje się w stanie "lekkiego obciążenia”, tj. warunkach, w których wiele aplikacji działa przez większość czasu. Należą do nich falowniki słoneczne umieszczone pod zacienionym dachem lub w pochmurne dni, konwertery turbin wiatrowych działające w czasie umiarkowanego wiatru, a nawet napędy sterujące drzwiami pociągu, które są tylko okresowo otwierane/zamykane. MOSFET-y SiC mają mniejsze straty przewodzenia w takich przypadkach.
Tranzystory MOSFET z SiC działające przy dużej mocy poprawiają też stopień niezawodności układów zasilających, dzięki prostszej realizacji układowej konwerterów. Jednostki dużej mocy są z reguły zasilane wyższymi napięciami szyny DC, zwykle między 1000 V a 1300 V. W przypadku realizacji w technologii krzemowej wybór elementów oraz topologii konwersji był ograniczony z uwagi na ograniczenia napięciowe do Neutral Point Clamped (NPC), Active NPC (ANPC) i T. W przypadku tranzystorów MOSFET 1700 V SiC wystarczają prostsze układy bez konieczności łączenia tranzystorów w rozwiązania wielopoziomowe, stąd potrzeba mniej elementów do ich realizacji.
Rysunek 5 pokazuje możliwości zmniejszenia całkowitej liczby elementów w stopniach mocy konwerterów NPC, ANPC i typu T. Jak widzimy, architektury obwodów konwersji mocy wykorzystujące tranzystory krzemowe IGBT zawierają od 4 do 6 razy więcej komponentów niż to samo rozwiązanie z elementami SiC. Dalsze korzyści wynikają z niepokazanych na rysunku oszczędności w zakresie sterowników bramki.
Aplikacje megawatowe
W zakresie bardzo dużych mocy, rzędu megawatów, elektronika mocy to głównie półprzewodnikowe transformatory SST (solid-state transformers), które są wysokonapięciowymi konwerterami AC-AC oraz systemy dystrybucji prądu stałego średniego napięcia dla trakcyjnych jednostek napędowych (traction power units, TPU). Stosowane są one w pojazdach użytkowych i szynowych. Inne zastosowania obejmują centralne falowniki słoneczne i morskie falowniki wiatrowe, a także pokładowe systemy konwersji energii. Rysunek 6 przedstawia przykład modułowego konwertera wielopoziomowego takiej mocy.
W takich zastosowaniach konwertery buduje się z użyciem modułowych przekształtników połączonych szeregowo (wielopoziomowych), aby spełnić wymagania dotyczące możliwości pracy z wysokim napięciem. Każdy moduł może być stopniem mocy w układzie półmostkowym lub pełnomostkowym. Zastosowanie rozwiązań modułowych opartych na zunifikowanych modułach konwerterów zapewnia skalowalność takiej aplikacji przy jednoczesnej minimalizacji kosztów serwisu. Takie rozwiązania modułowe czasami nazywa się blokami energoelektronicznymi. Formalnie są to kaskadowe konwertery mostkowe lub modułowe konwertery wielopoziomowe (modular multi-level converters, MMC).
Do niedawna do budowy takich modułów wykorzystywano krzemowe tranzystory IGBT o napięciu dopuszczalnym od 1200 V do 1700 V. Zastąpienie ich przez 1700-woltowe tranzystory MOSFET SiC daje tę samą korzyść, jak opisano w zastosowaniach o mniejszej mocy: większą sprawność i mniejsze gabaryty. Mniejsze straty komutacyjne tranzystorów SiC umożliwiają zwiększenie częstotliwości pracy i zmniejszenie wymiarów modułów, a wysokie napięcie maksymalne zmniejsza wymaganą liczbę komórek dla równoważnego rozwiązania starszej generacji. Zwiększa to niezawodność, gdyż realizacja zawiera mniej części przy jednoczesnym obniżeniu kosztów. Na przykład, gdy elementy 1700 V SiC zostaną użyte w konwerterze SST pracującym na linii dystrybucyjnej średniego napięcia 10 kVAC, liczba połączonych szeregowo modułów może zostać zmniejszona o 30% w porównaniu z realizacją na krzemie.
Obudowy i sterowniki
Z uwagi na dużą częstotliwość pracy oraz wysokie wartości napięć przełączanych przez tranzystory SiC, dużym problemem są zakłócenia elektromagnetyczne (EMI), a także ograniczona zdolność do tolerowania stanów zwarcia oraz odporność na przepięcia wywołane indukcyjnościami pasożytniczymi. Z uwagi na dużą moc zagrożeniem jest też możliwość przegrzania tranzystorów. Typowy konwerter średniej mocy przełącza moc definiowaną przez setki amperów prądu przy napięciu zasilającym 1000–1300 V w czasie poniżej mikrosekundy. Są to krytyczne warunki pracy dla układów półprzewodnikowych.
Z tej przyczyny Microchip opracował moduły tranzystorowe SiC MOSFET, które mają znacznie zmniejszone indukcyjności pasożytnicze. Dla wersji w układzie półmostkowym pasożytnicza indukcyjność rozproszenia nie przekracza 2,9 nH, co ułatwia osiągnięcie stabilnej pracy z maksymalnym prądem, dużą częstotliwość przełączania i wysoką sprawnością (rys. 7). Tego typu obudowy zapewniają również wyższą gęstość mocy i małe wymiary, co przy mniejszej całkowitej liczbie wymaganych modułów niezbędnych do realizacji kompletnego systemu pomaga w miniaturyzacji.
Poza obudową modułu istotną częścią jest także sterownik bramki tranzystora, który umożliwia złagodzenie skutków szybkiego przełączania tranzystorów SiC. Konfigurowalne cyfrowe sterowniki bramki zapewniające szybką komutację potrafią zmniejszyć przerzuty w przebiegach napięcia na drenie (VDS) nawet o 80% w porównaniu z typowymi realizacjami z użyciem obwodów analogowych i zredukować straty przełączania nawet o 50%. Skracają również czas wprowadzenia produktu na rynek nawet o sześć miesięcy i zapewniają nowe możliwości realizacji procesu przełączania.
Cyfrowe funkcjonalności pozwalają na tworzenie konfiguracji układowych wspólnych dla różnych topologii i sterowników, takich jak profile przełączania, monitory krytycznych wartości i ustawień interfejsu kontrolera. Dzięki temu możliwe jest szybkie dostosowanie sterowników bramek do wymagań aplikacji bez wprowadzania jakichkolwiek modyfikacji sprzętowych i skrócenie czasu projektu. Cyfrowe funkcje umożliwiają również zmienianie parametrów sterowania w czasie procesu projektowania i później zgodnie z wymaganiami oraz tempem degradacji tranzystorów w długim czasie.
MOSFET-y SiC powinny również dzisiaj stanowić część kompleksowego środowiska produktowego. Obejmuje ono wiele typów modułów, sterowniki bramek, płytki referencyjne, zasilacze pomocnicze, osprzęt montażowy i złącza, a także interfejs do programowania.
Wiele korzyści
W obszarze konwersji energii elektrycznej, od watów do megawatów, wysokonapięciowe MOSFET-y SiC uwalniają projektantów od kompromisów charakterystycznych dla rozwiązań krzemowych. Zwiększają niezawodność przy jednoczesnym obniżeniu kosztów i ponadto pozwalają na miniaturyzację oraz większą gęstość mocy. W połączeniu z inteligentnymi cyfrowymi sterownikami bramki zapewniają najwyższą możliwą wydajność. Microchip oferuje szeroką gamę komponentów z węglika krzemu w postaci struktur, elementów dyskretnych i modułów, a także dopasowanych do nich sterowników bramki. W ofercie są też tranzystory MOSFET SiC o napięciu 3,3 kV o najniższej w branży rezystancji w stanie włączenia RDS(ON) a także diody SiC SBD o najwyższym prądzie znamionowym.
Xuning Zhang and Kevin Speer, Microchip Technology
Microchip Technology
www.microchip.com
