Kaip išnaudoti visus silicio karbido maitinimo modulių privalumus

Tradiciškai galios puslaidininkiams naudojamas silicis, tačiau pastaruoju metu silicio karbidas (SiC) tapo alternatyvia medžiaga, užtikrinančia geresnes eksploatacines savybes didelės šilumos ir aukštos įtampos srityse.

SiC maitinimo moduliai pasižymi didesniais perjungimo dažniais ir mažesniais nuostoliais, todėl kompaktiškesni pasyviųjų filtrų komponentai užtikrina didesnį galios tankį sistemose mažesnėmis sąnaudomis.

Greitas perjungimas

Plačiajuosčiai silicio karbido (SiC) galios puslaidininkiai gali iš esmės pakeisti galios modulių rinką dėl didesnio perjungimo greičio, mažesnių nuostolių ir mažesnių elektromagnetinių trikdžių (EMI). Tačiau norint visapusiškai išnaudoti SiC modulių privalumus, reikia taikyti tinkamą požiūrį juos projektuojant ir montuojant - štai keletas geriausios praktikos pavyzdžių, kurie gali padėti kūrėjams įveikti visas kliūtis ir išnaudoti visus jų privalumus.

Didelės spartos SiC galios tranzistoriai gali sumažinti sistemos įtampą iki 50%, kartu užtikrindami puikias harmonines charakteristikas, todėl projektuotojai gali naudoti mažesnius pasyvius komponentus ir padidinti galios tankį. Komutacijos induktyvumas tebėra viena iš pagrindinių problemų, susijusių su SiC prietaisais; norėdami jį sumažinti, projektuotojai gali norėti įtraukti SiC MOSFET į paketus su minimaliu parazitiniu induktyvumu.

SEMITOP E1/E2 maitinimo modulių platformoje naudojamos naujausios lustų kartos įvairiose topologijose, pavyzdžiui, "sixpack", "half-bridge" ir "H-bridge" topologijos. Jos išvadų išdėstymas optimizuotas taip, kad būtų lengviau projektuoti spausdintines plokštes ir lygiagrečiai sujungti kelis maitinimo modulius vienu metu, be to, pasižymi itin mažu specifiniu RDS(on) temperatūriniu koeficientu, leidžiančiu veikti dideliu greičiu.

Silicio karbido maitinimo moduliai yra puikus pasirinkimas, kai reikia didesnio galios tankio, patikimumo ir didesnio perjungimo greičio. Dėl plataus temperatūrinio diapazono ir didelio efektyvumo jie yra patrauklus pasirinkimas tiek variklių pavaroms, tiek akumuliatorių įkrovikliams; be to, jie gali atlaikyti dideles šuolių sroves ir pasižymi geresnėmis šiluminėmis savybėmis, palyginti su įprastiniais silicio galios puslaidininkiais, todėl gerokai sumažėja sąnaudos.

Net ir turint daugybę privalumų, greitam perjungimui vis dar yra keletas kliūčių, trukdančių jį plačiai pritaikyti pramonėje. Tarp jų - sunkumai tiksliai išbandyti ir išmatuoti jungiklius, grandinės parazitinės savybės, galinčios sukelti įtampos šuolius, neatitikimas elektromagnetinės spinduliuotės taisyklėms, taip pat labai sudėtingi galios pakopų projektavimo ir integravimo reikalavimai. Laimei, kelios geriausios praktikos pavyzdžiai gali padėti įveikti šias problemas ir atskleisti visą SiC technologijos potencialą didelės spartos taikomosiose programose.

"Wolfspeed" LM maitinimo modulių platformoje naudojami silicio karbido privalumai, susiję su reikliais galios tankio taikymais, tokiais kaip elektrinių transporto priemonių įkrovikliai ir pramoniniai UPS, pvz., naujoviška 62 mm modulio pakuotė, kurioje sujungti SiC komutaciniai puslaidininkiai ir pramoninio standarto pagrindo plokštė, užtikrinanti 175 laipsnių nuolatinę sandūros temperatūrą, ir patikimas Si3N4 maitinimo substratas, garantuojantis mechaninį atsparumą atšiaurioms aplinkos sąlygoms, be to, AlSiC pagrindo plokštė, kurios sandūros ir skysčio šiluminė varža yra itin maža - 0.15 laipsnių C/W kiekvienai jungiklio padėčiai, kad būtų užtikrintas didžiausias šiluminis atsparumas ir mechaninis patvarumas atšiauriomis sąlygomis.

Didelis galios tankis

Traukos pavaros generuoja didžiąją dalį elektromobilio energijos, todėl jos turi veikti maksimaliai efektyviai ir užimti kuo mažiau vietos, kad būtų kuo mažesnis jų svoris. Be to, siekiant maksimaliai padidinti ridą, ji turi generuoti didelę išėjimo galią iš mažo ploto; tam reikalingi keitikliai, kurie konvertuoja energiją didesniais perjungimo dažniais ir mažesniais nuostoliais nei tradiciniai silicio IGBT.

Plačiajuostis silicio karbidas (WBG SiC) yra optimali medžiaga šiems tikslams pasiekti. Palyginti su įprastais Si prietaisais, WBG SiC prietaisai gali veikti aukštesnėje temperatūroje ir esant aukštesnei įtampai, nepatirdami perjungimo nuostolių, kaip silicio prietaisai; be to, jie pasižymi mažesniais perjungimo nuostoliais nei silicis, todėl gali būti naudojami didesniais perjungimo dažniais, o tai galiausiai padidina efektyvumą ir galios tankį.

Todėl energijos konversijos sistemų projektuotojai vis dažniau remiasi silicio karbido (SiC) įtaisais. Jų privalumai labai dideli, tačiau naudojant SiC gali kilti įvairių sunkumų, pavyzdžiui, dėl aukštos temperatūros ir galios lygio gali būti pernelyg įtemptos lydmetalio jungtys, dėl to labai sumažėja galios ciklo pajėgumas. Bendrovė "Vincotech" į tai reagavo sukurdama naujovišką lustų litavimo technologiją, kuri sumažina tokius įtempius ir pagerina SiC modulių galios ciklo galimybes.

SiC moduliai pasižymi geresniu šilumos laidumu nei kiti įrenginiai, todėl projektuotojai gali sumažinti pasyviųjų filtrų komponentų dydžius, kad būtų pasiektas didesnis galios tankis, ir kartu sumažinti šilumos išsklaidymo poreikį, taip sumažindami bendras sistemos sąnaudas.

SiC taip pat gali padėti sumažinti galios keitiklių svorį ir dydį, nes jo užimamas plotas yra daug mažesnis nei tradicinių silicio prietaisų, o tai padeda padidinti sistemos efektyvumą ir patikimumą, kartu sumažinant svorį ir dydį.

Nepriklausomai nuo taikymo srities, galios keitiklių gamintojai turi užtikrinti, kad jų moduliai atitiktų griežtus našumo kriterijus. Tai apima aukštą perjungimo dažnį ir mažą klaidžiojančią induktyvumą - esminius elementus, reikalingus optimaliam veikimui užtikrinti, kad būtų išlaikytas greitas kraštinių dažnis. Laimei, "Wolfspeed" 3,3 kV įtampos visiškai silicio oksido maitinimo moduliai atitinka šiuos griežtus standartus dėl pirmaujančių pramonėje srovės dalijimosi ir užtūros tvarkyklės stipriųjų savybių.

Didelis efektyvumas

SiC galios puslaidininkiai su plačiajuoste juosta pasižymi gerokai mažesniais nuostoliais, palyginti su silicio puslaidininkiais, todėl galima naudoti didesnius perjungimo dažnius ir mažesnius pasyvius komponentus. Be to, SiC gali atlaikyti ekstremalias temperatūras ir laikui bėgant neprarasti savo eksploatacinių savybių.

Šie veiksniai leidžia projektuotojams kurti efektyvesnes, kompaktiškesnes ir ekonomiškesnes energijos konversijos sistemas naudojant SiC modulius. Dėl jų lengvos, bet lanksčios konstrukcijos pavyko sutaupyti 20% geležinkelio vagonų traukos inverterių, naudojamų Japonijos traukinių sistemoje "Shinkansen", svorio; panašiai ir elektromobilių įkrovikliai bei geležinkelio baterijų įkrovikliai gali pasinaudoti didesniu SiC efektyvumu ir našumu.

Plonesnė SiC medžiaga taip pat sumažina komutacijos induktyvumą, todėl galima pasiekti didesnį perjungimo greitį, o tai lemia mažesnius magnetinių filtrų komponentų dydžius ir didesnį galios tankį. Didesnis perjungimo dažnis taip pat sumažina pulsacijos įtampą, todėl trumpesnės grįžtamojo ryšio kilpos ir mažesnis elektromagnetinės taršos lygis; sumažėję perjungimo nuostoliai dar labiau sumažina galios nuostolius ir kartu padidina temperatūrinį stabilumą.

"Wolfspeed" siūlo platų silicio karbido modulių asortimentą, atitinkantį įvairių programų reikalavimus, įskaitant AC-DC galios koeficiento korekcijos modulius, "buck/boost" DC/DC modulius, dvikrypčius AC/DC modulius ir aukšto dažnio DC/DC modulius, kurie padės projektuotojams išnaudoti jų privalumus. Į "Wolfspeed" asortimentą taip pat įeina etaloniniai projektai ir vertinimo priemonių rinkiniai, padedantys projektavimo procese.

SiC yra patrauklus pasirinkimas, tačiau norint išnaudoti visą jo galios potencialą reikia atkreipti dėmesį į tam tikras mechanines savybes. Šie iššūkiai apima terminę įtampą, aukštą darbinę temperatūrą ir ribotas galios ciklų galimybes, tačiau "Vincotech" pažangi "die-attach" technologija siūlo sprendimus, kaip įveikti šiuos sunkumus, nes išlaisvina lydmetalio jungtis nuo įtampos - silpnosios SiC galios modulių grandies.

Bendrovės technologijoje naudojamas patentuotas lydmetalis, užtikrinantis, kad maitinimo moduliai atlaikytų ilgalaikę šiluminę įtampą, nepažeisdami silicio plokštelių, taip pailgindami ciklų trukmę ir sumažindami gedimų riziką sudėtingose medicininio maitinimo srityse. Be to, ši pažangi technologija sustiprina SiC mikroschemų ir metalinių substratų sujungimą, taip dar labiau padidindama SiC mikroschemų atsparumą ciklams.

Patvarumas

Silicio karbidas (SiC), kaip plataus pralaidumo puslaidininkinė medžiaga, gali turėti daug privalumų energijos konversijos srityse. Šie privalumai gali apimti didesnį efektyvumą, mažesnes sąnaudas ir mažesnius matmenis, tačiau norint pasinaudoti šiais galimais privalumais, būtina įveikti įvairias technines projektavimo kliūtis.

SiC maitinimo moduliai kelia papildomų iššūkių, kai reikia padidinti jų galios cikliškumo galimybes. Maitinimo ciklų bandymai imituoja realius įvykius, kurie apkrauna vidinius įrenginių mechanizmus ir medžiagas. Pramonėje galios ciklų bandymai naudojami kaip jų veikimo skirtingomis sąlygomis etalonas; šiems bandymams atlikti kintamosios srovės bandymų mašina prietaisus veikia aukštos įtampos kintamąja srove, kuri sukelia išsklaidymo reiškinius, dėl kurių labai padidėja temperatūra; aukštesnei temperatūrai pasiekti reikia didesnio energijos kiekio, kad prietaisai iš blokavimo būsenos pereitų į laidumo būseną.

Padidėjus perjungimo energijai, išsiskiria šiluma, todėl sutrumpėja prietaiso tarnavimo laikas ir padidėja trumpojo jungimo ar lavininio gedimo rizika. Tokiomis sąlygomis gali įvykti SC gedimai arba lavininis pramušimas, todėl šie prietaisai tampa nefunkcionalūs ir galiausiai visiškai sugenda.

Tradiciniais sprendimais į grandines būdavo įtraukiami papildomi komponentai, kad būtų galima apsaugoti įrenginius, tačiau dėl to padidėja bendra maitinimo keitiklių kaina ir sudėtingumas. Todėl "Danfoss" pasiūlė naujovišką naują jungimo ir sujungimo technologiją, vadinamą "Bond Buffer", kuri veiksmingai išsprendžia šias problemas.

Šis patentuotas metodas naudoja varinės vielos sujungimą ir sukepintą matricą, kad būtų pakeistos modulių litavimo jungtys, todėl jie gali veikti aukštesnėje maksimalioje sandūros temperatūroje, nesumažėjus srovei, taip pat padidėja patikimumas ir išplečiama galimybė naudoti energijos ciklus.

"Vincotech" SiC modulių platforma sujungia silicio karbido MOSFET'ų greitį ir efektyvumą su 62 mm standartine pramonine pakuote, kad vartotojas gautų maksimalią naudą mažo induktyvumo srityse, pvz., pramoninėse variklių pavarose, elektromobilių įkrovikliuose ar akumuliatoriuose.

"Vincotech" SiC moduliai pademonstravo geresnes galios ciklo galimybes, palyginti su konkurenciniais pasiūlymais, kuriuose naudojamas įprastinis lydmetalis. Šį pagerėjimą galima paaiškinti geresniu gebėjimu efektyviai sugerti ir išsklaidyti šiluminę energiją.