Как да се възползвате от всички предимства на захранващите модули от силициев карбид

Силицият традиционно е материалът, от който се произвеждат силовите полупроводници, но напоследък силициевият карбид (SiC) се наложи като алтернативен материал, който предлага по-добри характеристики за приложения с висока температура и високо напрежение.

Силовите модули SiC се отличават с по-високи честоти на превключване с намалени загуби за по-компактни пасивни филтърни компоненти, като по този начин осигуряват по-висока плътност на мощността в системите при намалени разходи.

Бързо превключване

Силовите полупроводници от силициев карбид (SiC) с широка разделителна способност могат да предизвикат революция на пазара на силови модули с по-бързи скорости на превключване, по-ниски загуби и намалени електромагнитни смущения (EMI). Но пълното възползване от предимствата на SiC модулите изисква използването на подходящ подход при проектирането и сглобяването им - ето няколко най-добри практики, които могат да помогнат на разработчиците да преодолеят всички пречки и да реализират пълните им предимства.

Високоскоростните силови транзистори SiC имат потенциала да намалят напрежението на системата с до 50%, като същевременно предлагат превъзходни хармонични характеристики, позволявайки на дизайнерите да използват по-малки пасивни компоненти и да увеличат плътността на мощността. Комутационната индуктивност остава едно от основните предизвикателства, свързани с SiC устройствата; за да я намалят, дизайнерите може да искат да включат SiC MOSFET в пакети с минимална паразитна индуктивност.

Платформата за захранващи модули SEMITOP E1/E2 включва най-новите поколения чипове с различни топологии, като например топологии sixpack, half-bridge и H-bridge. Нейното разположение на изводите е оптимизирано за по-лесно проектиране на печатни платки и паралелно свързване на няколко захранващи модула едновременно и се отличава с изключително нисък специфичен температурен коефициент RDS(on), който позволява бърза работа.

Силовите модули от силициев карбид са отличен избор за приложения, изискващи повишена плътност на мощността, надеждност и по-високи скорости на превключване. Техният широк температурен диапазон и висока ефективност ги правят привлекателен вариант както за моторни задвижвания, така и за зарядни устройства за батерии; освен това те могат да издържат на големи токови удари, като същевременно предлагат по-добро термично поведение в сравнение с конвенционалните силициеви силови полупроводници за значително намаляване на разходите.

Дори и с многото си предимства, високоскоростното комутиране все още представлява няколко пречки за широкото му внедряване в промишлените приложения. Сред тях са трудностите при точното тестване и измерване на комутаторите; паразитните елементи на веригата, които могат да предизвикат скокове на напрежението; несъответствието с разпоредбите за ЕМИ; както и изключително сложните изисквания за проектиране и интегриране на захранващите стъпала. За щастие, няколко най-добри практики могат да преодолеят тези проблеми и да разгърнат пълния потенциал на SiC технологията във високоскоростните приложения.

Платформата за захранващи модули LM на Wolfspeed използва предимствата на силициевия карбид в приложения с висока плътност на мощността, като например зарядни устройства за електрически превозни средства и индустриални UPS, като например иновативния 62-милиметров модулен пакет, съчетаващ SiC комутационни полупроводници с индустриален стандарт за базова плоча, за да се постигне 175 градуса температура на непрекъснат преход, и разполага с надежден Si3N4 захранващ субстрат, който гарантира механична устойчивост на тежки условия, в допълнение към AlSiC базова плоча с изключително ниско термично съпротивление на прехода към течност от 0.15 градуса по Целзий/В за всяка позиция на превключвателя за максимална ефективност на термичното съпротивление и механична издръжливост в тежки условия.

Висока плътност на мощността

Задвижванията за тяга отговарят за голяма част от енергията на електрическото превозно средство (EV), така че те трябва да работят с максимална ефективност и същевременно да заемат минимално пространство, за да се сведе до минимум теглото. Освен това, за да се увеличи максимално пробегът, то трябва да генерира висока изходна мощност от малки пространства; за да се постигне това, са необходими инвертори, които преобразуват енергия с по-високи честоти на превключване и намалени загуби в сравнение с традиционните силициеви IGBT.

Широколентовият силициев карбид (WBG SiC) е оптималният материал за постигане на тези цели. В сравнение с конвенционалните Si устройства, WBG SiC устройствата могат да работят при по-високи температури и напрежения, без да се получават загуби при превключване, както при силициевите устройства; освен това той се отличава с по-ниски загуби при превключване от силиция, което позволява по-високи честоти на превключване, които в крайна сметка увеличават ефективността и плътността на мощността.

Поради това конструкторите на системи за преобразуване на енергия все повече разчитат на устройства от силициев карбид (SiC). Техните предимства са огромни; въпреки това използването на SiC може да доведе до редица предизвикателства; например високите температури и нива на мощност могат да доведат до прекомерно натоварване на спойките, което значително намалява възможността за циклично захранване. Vincotech реагира, като създаде иновативна технология за запояване на чипове, която намалява тези напрежения, за да подобри възможностите на SiC модулите за циклично захранване.

SiC модулите се отличават с по-добра топлопроводимост в сравнение с други устройства, което позволява на дизайнерите да намалят размерите на пасивните филтърни компоненти за по-голяма плътност на мощността, като същевременно намаляват нуждите от разсейване на топлината и по този начин намаляват общите разходи на системата.

SiC може също така да спомогне за намаляване на теглото и размера на преобразувателите на енергия поради много по-малкия си отпечатък в сравнение с традиционните силициеви устройства, което спомага за подобряване на ефективността и надеждността на системата при намаляване на теглото и размера.

Независимо от приложението, производителите на преобразуватели на енергия трябва да гарантират, че техните модули могат да отговорят на високите критерии за производителност. Това включва постигане на висока честота на превключване и ниска блуждаеща индуктивност - съществени елементи за поддържане на бърза скорост на въртене, необходима за оптимална производителност. За щастие, изцяло SiC захранващите модули на Wolfspeed с напрежение 3,3 kV отговарят на тези строги стандарти благодарение на водещите в индустрията разпределение на тока и сила на драйвера на гейта.

Висока ефективност

Широколентовите SiC силови полупроводници се отличават със значително намалени загуби в сравнение със силициевите аналози, което позволява по-високи честоти на превключване и по-малки пасивни компоненти. Освен това SiC може да издържа на екстремни температури, без да губи своята производителност с течение на времето.

Тези фактори дават възможност на проектантите да създават по-енергийно ефективни, компактни и рентабилни системи за преобразуване на енергия, използвайки SiC модули. Тяхната лека и същевременно гъвкава конструкция доведе до намаляване на теглото с 20% на инверторите за тяга на железопътни вагони, използвани в японската влакова система Шинкансен; по подобен начин зарядните устройства за електрически превозни средства и железопътни батерии могат да се възползват от повишената ефективност и производителност на SiC.

По-тънкият материал на SiC също така намалява комутационната индуктивност, което позволява по-високи скорости на превключване, които водят до по-малки размери на компонентите на магнитния филтър и по-голяма плътност на мощността. По-високата честота на превключване също така понижава пулсациите на напрежението за по-къси контури на обратна връзка с намалени нива на ЕМИ; намалените загуби при превключване намаляват допълнително загубите на мощност, като същевременно увеличават температурната стабилност.

Wolfspeed предлага обширно портфолио от модули от силициев карбид, които отговарят на изискванията на различни приложения, включително AC-DC модули за корекция на фактора на мощността, бук/бук DC/DC модули, двупосочни AC/DC модули и високочестотни DC/DC модули, които ще помогнат на проектантите да се възползват от предимствата им. Портфолиото на Wolfspeed включва и референтни проекти и комплекти инструменти за оценка, които подпомагат процеса на проектиране.

SiC е привлекателен избор, но реализирането на пълния му енергиен потенциал изисква да се обърне внимание на определени механични свойства. Тези предизвикателства включват термичен стрес, високи работни температури и ограничена възможност за циклично захранване - въпреки това усъвършенстваната технология на Vincotech за закрепване на матрицата предлага решения за преодоляване на тези трудности чрез освобождаване на спойките от напрежението - слабото звено в SiC захранващите модули.

Технологията на компанията използва патентована сплав за запояване, за да гарантира, че захранващите модули могат да издържат на дългосрочно термично натоварване, без да се повреждат силициевите пластини, като по този начин се увеличава продължителността на цикъла и се намалява рискът от повреда при взискателни приложения за медицинско захранване. Освен това тази усъвършенствана технология укрепва връзката между SiC чиповете и металните подложки, като по този начин допълнително увеличава възможностите за циклично използване на SiC чиповете.

Устойчивост

Силициевият карбид (SiC), като полупроводников материал с широк диапазон на пропускане, може да осигури множество предимства в приложенията за преобразуване на енергия. Тези предимства могат да включват подобрена ефективност, по-ниски разходи и по-малки размери - въпреки че за да се реализират тези потенциални предимства, е необходимо да се преодолеят различни технически пречки при проектирането.

SiC захранващите модули представляват допълнително предизвикателство, когато става въпрос за увеличаване на възможностите им за циклично захранване. Тестовете за циклично захранване симулират реални събития, които натоварват вътрешните механизми и материали на устройствата. В промишлеността се използват тестовете за циклично захранване като сравнителен критерий за тяхната производителност при различни условия; за провеждането на тези тестове машина за изпитване с променлив ток прилага към устройствата променлив ток с високо напрежение, което предизвиква разсейващи събития, повишаващи значително температурата; по-високите температури изискват по-големи количества енергия, за да преминат от състояние на блокиране в състояние на проводимост.

Повишената енергия на превключване води до отделяне на топлина, което скъсява живота на устройството и увеличава риска от късо съединение или лавинообразно разрушаване. При такива условия може да се стигне до повреди на SC или лавинен пробив, което да направи тези устройства нефункционални и в крайна сметка да се откажат напълно.

Традиционните решения включват добавяне на допълнителни компоненти в схемите за защита на устройствата, но това увеличава общата цена и сложността на преобразувателите на енергия. В резултат на това Danfoss предложи нова иновативна технология за свързване и присъединяване, известна като Bond Buffer, която ефективно решава тези проблеми.

Тази патентована техника използва свързване на медни проводници и синтеровани матрици, за да замени спойките в модулите, като им позволява да работят при по-високи максимални температури на съединението без влошаване на тока, както и да подобрят надеждността и да разширят възможностите за циклично захранване.

Платформата за SiC модули на Vincotech съчетава скоростта и ефективността на силициевокарбидните MOSFET-и с индустриалната стандартна 62 мм опаковка за максимална полза за потребителя в приложения с ниска индуктивност, като например индустриални моторни задвижвания, зарядни устройства за електрически превозни средства или приложения, захранвани от батерии.

SiC модулите на Vincotech демонстрираха по-добра способност за циклично захранване в сравнение с конкурентните предложения, използващи конвенционална сплав за запояване. Това подобрение може да се отдаде на подобрената й способност да абсорбира и разсейва ефективно топлинната енергия.