Разработчики источников питания и приводов двигателей на высокое напряжение снова создают инновационные продукты с использованием кремниевых MOSFET и IGBT. Достижение желаемой надежности часто невозможно без ущерба для производительности. Также решения на основе кремния не могут удовлетворить сегодняшние потребности рынка в отношении размера, веса и стоимости устройств, но с появлением высоковольтных полевых МОП-транзисторов на основе карбида кремния (SiC) стало возможным достичь безкомпромиссной высокой эффективности.

Уже доступные в продаже 1500-вольтовые SiC-транзисторы являются успешным развитием более ранних версий этих компонентов с допустимыми напряжениями сток-исток до 1000 В, получивших большую популярность за последние годы. Транзисторы с предельным напряжением 1500 В расширяют бесчисленные преимущества технологии SiC на новые сегменты рынка, включая электромобили, рельсовый транспорт, возобновляемые источники энергии, промышленные приводы и другие. Использование этих возможностей стало доступно благодаря новым решениям корпусов транзисторов, облегчающим системную интеграцию и драйверам затворов. Это еще больше увеличивает их преимущество перед существующими кремниевыми решениями в максимально широком диапазоне уровней мощности.

Преимущества высоковольтных SiC MOSFET начинаются со схем питания мощностью от десятков до сотен ватт, таких как вспомогательные источники питания (AuxPS), которые используются практически во всех системах силовой электроники. Без AuxPS невозможно подавать питание на драйверы затворов, цепи датчиков и управления или охлаждающие вентиляторы. Из-за критически важных функций надежность этого устройства является главным приоритетом.

Высоковольтные SiC MOSFET имеют не только высокое напряжение отсечки, но и более низкое сопротивление в открытом состоянии и обеспечивают отличную скорость коммутации. В совокупности эти свойства позволяют упростить силовые цепи за счет отказа от сложных топологий преобразования энергии, например, с использованием обратноходовых преобразователей с одним переключателем. Эквивалентные решения по напряжению и мощности на основе кремния либо требуют двух переключателей, либо менее эффективны, что удваивает риск сбоя, поскольку в схеме тогда требуется гораздо больше компонентов.

Благодаря обратноходовой топологии с одним переключающим транзистором SiC MOSFET, можно создать простой маломощный изолированный импульсный источник питания, работающий в очень широком диапазоне входных напряжений – от 300 В до 1000 В постоянного тока, обеспечивая выходное напряжение в диапазоне от 5 до 48 В. Такое решение характеризуется небольшим количеством необходимых компонентов, а значит невысокой стоимостью. Он также надежнее и имеет более простую схему управления.

Блок питания AuxPS, использующий SiC MOSFET, также можно сделать более компактным. Удельное сопротивление в открытом состоянии (Ron) карбидокремниевых МОП-транзисторов, составляет лишь часть сопротивления кремниевых МОП-транзисторов. Следовательно корпуса и полупроводниковые конструкции с меньшими габаритами обеспечивают те же параметры, а потери на проводимость также ниже, что в конечном итоге может привести даже к отсутствию необходимости использования теплоотвода (будет достаточно простого маленького радиатора).

МОП-транзисторы из этого материала также имеют меньшие потери на переключение, что позволяет миниатюризировать трансформатор за счет увеличения частоты коммутации силового каскада. На рисунке далее показана степень повышения эффективности полупроводников SiC в зависимости от выходной мощности.

Преимущества карбида кремния возрастают с увеличением мощности, то есть в устройствах, работающих в десятки или сотни киловатт. Далее показано иллюстративное решение силового каскада трехфазного инвертора мощностью 75 кВт. Эта схема используется в электромобилях, зарядных устройствах для электромобилей, солнечных инверторах, ИБП, моторных приводах и других устройствах.

Это эффективность преобразования энергии в конструкции с использованием SiC-транзисторов в корпусах с низкой паразитной индуктивностью, по сравнению с альтернативными силовыми полупроводниками. Максимум составляет 99,4% на частоте 10 кГц, но даже при более высокой частоте коммутации эффективность SiC все же выше, чем у кремниевых IGBT.

Как видим, SiC MOSFET имеют в среднем на 80% меньшие потери на переключение по сравнению с кремниевыми IGBT, что позволяет увеличить частоту переключения и миниатюризировать трансформатор.

Потери проводимости SiC MOSFET и кремниевых IGBT аналогичны при высокой мощности, но более важно что происходит в состоянии «малой нагрузки», то есть в условиях, когда многие устройства работают большую часть времени в холостую (SiC MOSFET в таких случаях имеют меньшие потери проводимости).

SiC MOSFET, работающие при большой мощности, также повышают надежность блоков электропитания за счет более простой схемотехнической реализации преобразователей. Блоки большой мощности обычно питаются от более высоких напряжений шины постоянного тока. В случае кремниевой реализации выбор компонентов и топологии преобразования был ограничен из-за фиксации нейтральной точки (NPC), активной NPC (ANPC) и так далее. В случае высоковольтных SiC MOSFET достаточно более простых схем, без необходимости объединения транзисторов в многоуровневые решения, поэтому для их реализации требуется меньше компонентов.

Ниже показаны возможности уменьшения общего количества элементов в силовых каскадах преобразователей типа NPC и ANPC. Как видим, схемы преобразования мощности с использованием кремниевых IGBT содержат в 5 раз больше компонентов, чем то же решение с элементами SiC. Дополнительные преимущества связаны с экономией драйверов затвора.

Транзисторы SiC повышают КПД и удельную мощность преобразователей за счет возможности использования более простых топологий преобразования. Это позволяет построить трехфазный инвертор мощностью 75 кВт с двумя транзисторами на фазу (плюс еще два драйвера), как показано в топологиях NPC, ANPC и T-типа.

Мегаваттные устройства

При очень большой мощности, порядка мегаватт, к силовой электронике относятся в основном твердотельные трансформаторы (ТПТ), представляющие собой высоковольтные преобразователи переменного тока в переменный, и средневольтные системы распределения постоянного тока для тяговых силовых агрегатов (ТПУ). Они используются в троллейбусах и железнодорожном транспорте. Другие области применения включают центральные солнечные и ветровые инверторы, а также бортовые системы преобразования энергии. Ниже показан пример модульного многоуровневого преобразователя такой мощности.

Здесь преобразователи строятся с использованием модулей, соединенных последовательно, чтобы удовлетворить требования к возможностям высокого напряжения. Каждый модуль может быть полумостовым или полномостовым силовым каскадом. Использование модульных решений на основе унифицированных модулей-преобразователей обеспечивает масштабируемость такого устройства при минимальных затратах на обслуживание. Такие модульные решения иногда называют силовыми электронными блоками. Формально их называют каскадные мостовые преобразователи или модульные многоуровневые преобразователи (ММС).

До недавнего времени для создания таких модулей использовались кремниевые IGBT с диапазоном напряжений от 1000 В до 1500 В. Замена их SiC MOSFET дает те же преимущества, что и для устройств с меньшим энергопотреблением: более высокий КПД и меньшие габариты. Меньшие коммутационные потери транзисторов SiC обеспечивают более высокую рабочую частоту и меньшие размеры модуля, а высокое максимальное напряжение уменьшает необходимое количество ячеек для эквивалентного устаревшего решения. Это повышает надежность, поскольку реализация включает в себя меньше деталей и снижает затраты. Например когда элементы SiC используются в преобразователе SST, работающем на распределительной линии среднего напряжения 10 кВ переменного тока.

Драйверы и модули

Из-за высокой частоты работы и высоких напряжений, коммутируемых SiC-транзисторами, электромагнитные помехи (ЭМП) представляют собой большую проблему, а также ограниченную способность переносить состояния короткого замыкания и устойчивость к перенапряжениям, вызванным паразитными индуктивностями. Из-за большой мощности опасность перегрева транзисторов также представляет опасность. Типичный средний преобразователь переключает мощность, определяемую сотнями ампер тока, при напряжении питания 1000 вольт менее чем за микросекунду, а это критические рабочие условия для полупроводниковых схем.

По этой причине разработали транзисторные модули SiC MOSFET, в которых значительно снижена паразитная индуктивность. Для полумостового варианта она не превышает 3 нГн, что позволяет легко добиться стабильной работы с максимальным током, высокой частотой коммутации и высоким КПД. Эти типы корпусов также обеспечивают более высокую удельную мощность и малую занимаемую площадь, что способствует миниатюризации.

Помимо корпуса модуля важной частью является также драйвер затвора транзистора, позволяющий смягчить эффекты быстрого переключения SiC-транзисторов. Конфигурируемые драйверы цифровых затворов с высокоскоростным переключением могут снизить перегрузку напряжения на стоке (VDS) до 80 % по сравнению с типичными реализациями, использующими аналоговую схему, и уменьшить коммутационные потери до 50 %.

Цифровые функциональные возможности позволяют создавать общие для разных топологий и контроллеров конфигурации устройств, такие как профили переключения, мониторы критических значений и настройки интерфейса контроллера. Благодаря этому можно быстро адаптировать драйверы затворов к требованиям устройств без внесения каких-либо аппаратных модификаций и сократить время выхода проекта. Цифровые функции также позволяют изменять параметры управления в процессе проектирования, а затем в соответствии с требованиями и скоростью износа транзисторов в долгосрочной перспективе.

Подведем итоги

В области преобразования электроэнергии из ватт в мегаватты, высоковольтные SiC MOSFET освобождают разработчиков от компромиссов, присущих кремниевым решениям. Они повышают надежность при одновременном снижении затрат, а также обеспечивают миниатюризацию и более высокую удельную мощность. В сочетании с интеллектуальными драйверами цифровых затворов они обеспечивают максимально возможную производительность.

Сегодня предлагается широкий ассортимент компонентов из карбида кремния в виде структур, дискретных элементов и модулей, а также соответствующие драйверы затворов. Ассортимент также включает SiC MOSFET на 3,3 кВ с самым низким в отрасли сопротивлением во включенном состоянии RDS(ON) и диоды SiC SBD с самым высоким номинальным током.