Silicijev karbid IGBT in močnostni MOSFET-i

Tehnologija igbt iz silicijevega karbida je zelo obetavna za preoblikovanje elektroenergetskih sistemov s povečanjem učinkovitosti, zanesljivosti in velikosti. Material s široko pasovno vrzeljo veliko učinkoviteje odvaja toploto in hkrati zanesljivo deluje pri višjih temperaturah - poleg tega lahko prenese višje napetosti in zagotavlja zanesljivost pri višjih temperaturah.

Pripravljen je bil eksperimentalni sistem, ki je bil uporabljen za merjenje časov zakasnitve vklopa in izklopa hibridnih energetskih stikal Si-IGBT v pogojih obremenitve RL, rezultati pa kažejo na manjše izgube energije pri času preklopa.

Napajanje

Polprevodniki iz silicijevega karbida se pogosto uporabljajo v elektronskih napravah. Med njimi izstopajo silicijevokarbidni močnostni tranzistorji MOSFET, pogosto imenovani tudi SiC MOSFET ali FET. V primerjavi s svojimi silicijevimi kolegi imajo precejšnje prednosti pri zmogljivosti na področju moči.

Pomembna prednost silicijevega karbida v primerjavi s silicijem je njegova večja moč električnega polja, kar omogoča, da imajo MOSFET-i, izdelani iz tega materiala, manjšo upornost v stanju vklopa kot njihovi silicijevi kolegi, kar vodi do manjših izgub pri preklopu, ki so še posebej koristne pri zasnovi elektronskih vezij, kot so napetostni pretvorniki.

Dodatna prednost je, da je mogoče silicijeve karbidne MOSFET-e izdelati za delovanje pri višjih temperaturah kot njihove silicijeve kolegice, kar omogoča večjo gostoto toka ter hitrejše vklapljanje in izklapljanje, kar zmanjšuje preklopne izgube in lahko še dodatno zmanjša preklopne izgube.

Napajalne naprave iz silicijevega karbida se pogosto uporabljajo v elektromotornih pogonih. Silicijev karbidni MOSFET-i lahko drastično izboljšajo zmogljivost z zmanjšanjem preklopnih izgub in povečanjem učinkovitosti, kar je ena od ključnih aplikacij silicijevega karbida MOSFET-ov.

S povečevanjem povpraševanja po elektromehanskih napravah, kot so stikala, solenoidi in kodirniki, na področjih, kot sta napredna proizvodnja in električna vozila, se povečuje tudi potreba po pretvorbi digitalnih signalov v fizična dejanja. Pretvorba električne energije ima pri tem ključno vlogo, prebojni dosežki na področju močnostne elektronike pa lahko močno vplivajo na učinkovitost, možnost nadzora in delovanje teh naprav.

Eden od prelomnih dosežkov pri inovacijah na področju pretvorbe energije je uporaba silicijevega karbidnega MOSFET-a (SiC MOSFET) namesto silicijevega IGBT-ja (Si IGBT), kar lahko bistveno poveča njihovo zmogljivost, saj omogoča višje hitrosti in boljši nadzor.

Družba Semikron Danfoss je razvila izbor nadomestnih modulov IGBT iz silicijevega karbida s standardnimi ohišji in naprednimi tehnologijami pakiranja, da bi v celoti izkoristili prednosti teh naprav. Eden takih modulov IGBT, serija CIPOS Maxi IPM IM828 na osnovi CoolSiC MOSFET, je industrijsko standardno ohišje TO-247, ki vključuje optimiziran šestkanalni gonilnik vrat SOI in šest CoolSiC MOSFET v enem ohišju TO-247, kar omogoča nizko komutacijsko induktivnost modula, ki omogoča polno izkoriščanje prednosti zmanjšane upornosti v stanju in preklopnih izgub.

Učinkovitost

Silicijev karbid je po učinkovitosti pretvorbe energije veliko boljši od silicija. To je posledica dejstva, da veliko bolje odvaja toploto in prenese višje napetosti kot tradicionalne silicijeve komponente - idealno za visokozmogljive energetske aplikacije, kot je železniška vleka. Poleg tega je silicijev karbid zaradi večje vzdržljivosti primeren za visokonapetostne sisteme, kot je železniška vleka.

Silicijev karbid ne povečuje le učinkovitosti, temveč ponuja tudi dodatne prednosti. Te vključujejo manjše preklopne izgube, manjše komponente magnetnih filtrov in večjo zanesljivost, kar oblikovalcem pomaga zmanjšati velikost in težo sistema ter stroške vzdrževanja in delovanja. Poleg tega je visoka gostota moči silicijevega karbida kot nalašč za srednjenapetostne napajalne sisteme, ki še dodatno zmanjšujejo prostorske zahteve in stroške.

SiC MOSFET-i so idealni za trde in resonančne preklopne topologije, z enostavnimi gonilniki pa jih je mogoče krmiliti enako kot IGBT-je ali standardne močnostne MOSFET-e. Poleg tega ta tehnologija zagotavlja največjo učinkovitost pri preklopnih frekvencah, ki omogočajo zmanjšanje velikosti sistema in povečanje gostote moči.

IGBT iz silicijevega karbida je mogoče optimizirati z izbiro ustreznega vezja za pogon vrat, ki bo zmanjšalo parazitske učinke med vklopom/izklopom in izgube energije, povezane s samim preklopom; pomembni so tudi dejavniki, kot so induktivna razpršenost gonil vrat in izgube energije, povezane s stikali, saj lahko ti dejavniki bistveno spremenijo zmogljivost naprave.

MOSFET-i iz silicijevega karbida (SiC) zagotavljajo boljšo kritično prebojno moč, višjo preklopno frekvenco in manjše preklopne izgube kot njihovi kolegi IGBT. Poleg tega te bolj robustne naprave delujejo pri nižjih temperaturah, kar zmanjšuje velikost, težo in stroške sistema, poleg tega pa so zaradi delovanja pri nižjih temperaturah in večje robustnosti pri prehodnih pojavih, ki so pogosti v srednjenapetostnih napajalnih sistemih, tudi stroškovno učinkovitejše.

Wolfspeedovi napajalni moduli Gen3 3300 V Bare Die SiC MOSFET so posebej prilagojeni za izpolnjevanje teh strogih standardov in se ponašajo z vrhunsko zmogljivostjo tako na ravni čipov kot modulov. Zaradi nizke komutacijske induktivnosti so primerni tudi za najzahtevnejše aplikacije pretvornikov moči, ki jih najdemo na vlakih in tramvajih, poleg tega pa zagotavljajo tudi optimizacije pakiranja, namenjene zmanjšanju toplotnega upora med čipom in hladilnikom, s čimer se poveča gostota gostote moči in optimizira učinkovitost sistema.

Preklapljanje

Silicijev karbid (SiC) je napreden polprevodniški material, ki se uporablja za izdelavo energetskih naprav. Naprave SiC se uporabljajo v različnih aplikacijah, od inverterjev in motorjev do zagotavljanja energije v električnem omrežju. Čipi SiC imajo v primerjavi s tradicionalnimi silicijevimi napravami boljši preklopni čas, zato so primerni za aplikacije za pretvorbo energije, na primer za hitrejše preklapljanje med procesi pretvorbe energije.

Napajalne naprave SiC lahko prenašajo večje tokove kot silicijevi MOSFET-i, hkrati pa jih je mogoče vgraditi v manjše pakete, poleg tega so trajnejše, odpornejše na visoke temperature in imajo veliko manjše preklopne izgube kot njihovi silicijevi kolegi.

Napajalne naprave SiC imajo številne prednosti, zaradi katerih so idealne za uporabo v različnih aplikacijah, od omrežnih pretvornikov izmeničnega toka in enofaznih impulznih testnih sistemov (SPT) do trifaznih pretvornikov in nadomestnih IGBT v obstoječih pretvornikih, vključno z zmanjšanimi izgubami moči in večjo zanesljivostjo.

V tem poskusu so bili trije SiC-IGBT napajalni moduli primerjani s tradicionalnimi IGBT napajalnimi moduli za primerjavo zmogljivosti. Rezultati primerjave so pokazali, da imajo moduli SiC-IGBT bistveno manjše preklopne izgube in večjo učinkovitost ter krajši čas zakasnitve vklopa in manjši negativni presežek kot moduli IGBT.

Napajalni moduli SiC-IGBT so bili podvrženi obremenitvenim testom z upornostjo 42 ohmov (RL = 42 ohmov, L = 290uH), vključno z meritvami trajanja zasuka (čas vzpona in padca), presežnega toka in napetosti ter upornosti kolektor-emitor Rceon, ki je bila izmerjena z ročnim večfunkcijskim osciloskopom MICsig, medtem ko sta bili napetost vrat-emitor in njena presežna napetost pridobljeni s Hantekovimi merilniki s sponkami.

Napajalne naprave SiC-IGBT, uporabljene v tem poskusu, so imele čase dviga manj kot 261 nanosekund in čase padca približno 617 nanosekund, skupaj z nizkimi ravnmi presežnega toka in majhnimi negativnimi izgubami zaradi presežnega toka, kar je zmanjšalo splošne izgube pri preklopu. Poleg tega so se moduli SiC-IGBT izkazali za energetsko učinkovitejše od IGBT, ko so delovali pri obremenitvah RL, in sicer zaradi manjših upornosti in tokov med vratom in emitorjem v stanju vklopa kot njihovi kolegi IGBT.

Tranzistorji

Tranzistorji iz silicijevega karbida imajo zaradi svoje širše pasovne vrzeli izrazite prednosti pred svojimi silicijevimi kolegi. Tranzistorji SiC lahko preklapljajo pri veliko višjih frekvencah z manjšimi preklopnimi izgubami za energetsko učinkovito zasnovo vezja z manjšim odvajanjem toplote in boljšo toplotno zmogljivostjo, kar omogoča manjše zasnove vezij z večjim prihrankom energije in boljšo toplotno zmogljivostjo.

To omogoča uporabo večje kapacitivnosti vrat, s čimer se poveča gostota moči. Poleg tega hitrejši časi vklopa in izklopa zmanjšajo izgube; z zmanjšanjem upornosti od kolektorja do emitorja (Rceon) se dodatno izboljša učinkovitost.

P-kanalni SiC-IGBT je idealen tudi za topologije s trdim in resonančnim preklopom, kot sta LLC in ZVS, ki zahtevajo visoko blokirno napetost, pri čemer ga obstoječi gonilniki zlahka poganjajo, visoke preklopne frekvence pa so enostavno obvladljive, kar omogoča manjše periferne komponente, večjo gostoto moči in večjo zanesljivost.

Da bi dokazali boljšo zmogljivost SiC-IGBT, smo jih za primerjavo primerjali z običajnimi silicijevimi napravami v sistemu, ki temelji na AGPU. Izvedeni so bili enofazni in trifazni poskusi za preverjanje njihovih obratovalnih zmogljivosti.

Pri SiC-IGBT je bilo ugotovljeno, da imajo med tem poskusom bistveno manjši negativni presežek kot njihovi silicijevi kolegi, krajši čas preklopa od vrat do emitorja z manjšim presežkom in zvonjenjem ter manjše izgube prevodne moči.

Zaradi teh lastnosti je SiC-IGBT odlična zamenjava za silicijeve naprave v obstoječih napajalnih sistemih, ki temeljijo na AGPU, čeprav bi njegove fizikalne omejitve lahko omejile njegov polni potencial pri tej uporabi.

Prihodnje naprave bi morale zagotavljati večjo zmogljivost in učinkovitost, vendar pa se sedanje naprave že ponašajo z visokimi stopnjami obeh lastnosti. Uporaba tehnologije trenutno vključuje polnjenje baterij za električna vozila, pretvarjanje sončne energije v enosmerni tok, optimizacijo učinkovitosti strežnikov. To je mogoče doseči z uporabo naprednih postopkov izdelave, ki ustvarjajo MOSFET-e SiC z nizkimi parazitskimi lastnostmi, hkrati pa ponujajo lastnosti, kot so visoka tokovna zmogljivost, nizka upornost pri vklopu in visok pogonski tok vrat; kar omogoča večjo gostoto moči ob nižjih skupnih sistemskih stroških.