Як розкрити всі переваги силових модулів з карбіду кремнію

Кремній традиційно є основним матеріалом для силових напівпровідників, але нещодавно карбід кремнію (SiC) з'явився як альтернативний матеріал, який пропонує покращені характеристики для високих температур і високих напруг.

Силові модулі SiC мають вищі частоти перемикання зі зниженими втратами для більш компактних компонентів пасивних фільтрів, що забезпечує вищу щільність потужності в системах при менших витратах.

Швидке перемикання

Широкозонні силові напівпровідники на основі карбіду кремнію (SiC) можуть зробити революцію на ринку силових модулів завдяки швидшій швидкості перемикання, меншим втратам і зниженому рівню електромагнітних завад (ЕМІ). Але повне використання переваг SiC-модулів вимагає застосування відповідного підходу при їх проектуванні та складанні - ось кілька найкращих практик, які можуть допомогти розробникам подолати будь-які перешкоди та реалізувати всі їхні переваги.

Високошвидкісні силові транзистори SiC можуть знизити напругу системи на цілих 50%, забезпечуючи при цьому чудові гармонійні характеристики, що дозволяє розробникам використовувати менші пасивні компоненти і підвищити щільність потужності. Комутаційна індуктивність залишається однією з основних проблем, пов'язаних з пристроями на основі SiC; щоб зменшити її, розробники можуть використовувати SiC MOSFET в корпусах з мінімальною паразитною індуктивністю.

Платформа модулів живлення SEMITOP E1/E2 включає в себе найновіші покоління мікросхем з різними топологіями, такими як шестипакетна, напівмостова та H-мостова. Її розводка оптимізована для спрощення проектування друкованих плат і одночасного запаралелювання декількох модулів живлення, а також має надзвичайно низький питомий температурний коефіцієнт RDS(увімкнення), що забезпечує високу швидкість роботи.

Силові модулі з карбіду кремнію є чудовим вибором для застосувань, що потребують підвищеної щільності потужності, надійності та високої швидкості перемикання. Широкий температурний діапазон і висока ефективність роблять їх привабливим варіантом як для моторних приводів, так і для зарядних пристроїв; крім того, вони витримують великі імпульсні струми і мають кращі теплові характеристики порівняно зі звичайними кремнієвими силовими напівпровідниками, що забезпечує значну економію коштів.

Навіть попри свої численні переваги, високошвидкісна комутація все ще має низку перешкод для її широкого впровадження в промисловість. До них відносяться складність точного тестування і вимірювання перемикачів; паразитні ланцюги, які можуть викликати стрибки напруги; невідповідність нормам електромагнітної сумісності; а також дуже складні вимоги до проектування та інтеграції силових каскадів. На щастя, кілька найкращих практик дозволяють подолати ці проблеми і розкрити весь потенціал технології SiC у високошвидкісних додатках.

Платформа силових модулів LM від Wolfspeed використовує переваги карбіду кремнію у вимогливих до щільності потужності додатках, таких як зарядні пристрої для електромобілів і промислові ДБЖ, наприклад, інноваційний 62-міліметровий модуль, що поєднує комутаційні напівпровідники SiC з базовою пластиною промислового стандарту для забезпечення безперервної роботи при температурі переходу 175 градусів за Цельсієм, а також надійну силову підкладку Si3N4, що гарантує механічну стійкість до суворих умов експлуатації, і базову пластину з алюмінієвого сплаву з надзвичайно низьким тепловим опором переходу від рідини - 0.15degC/Вт на кожне положення перемикача для максимальної термостійкості та механічної міцності в суворих умовах.

Висока щільність потужності

На тягові приводи припадає значна частина енергоспоживання електромобіля (EV), тому вони повинні працювати з максимальною ефективністю, займаючи при цьому мінімум місця, щоб мінімізувати вагу. Крім того, щоб збільшити запас ходу, вони повинні генерувати високу вихідну потужність з невеликого простору; для цього потрібні інвертори, які перетворюють енергію з вищою частотою перемикання і меншими втратами, ніж традиційні кремнієві IGBT-транзистори.

Широкозонний карбід кремнію (WBG SiC) є оптимальним матеріалом для досягнення цих цілей. У порівнянні зі звичайними кремнієвими приладами, пристрої WBG SiC можуть працювати при більш високих температурах і напругах без втрат на перемикання, як у кремнієвих приладів; крім того, він може похвалитися нижчими втратами на перемикання, ніж кремній, що дозволяє використовувати більш високі частоти перемикання, які в кінцевому підсумку підвищують ефективність і щільність потужності.

Тому розробники систем перетворення енергії все частіше покладаються на пристрої з карбіду кремнію (SiC). Їхні переваги величезні, проте використання SiC може створювати певні проблеми; наприклад, висока температура і потужність можуть спричинити надмірне навантаження на паяні з'єднання, що значно знижує здатність до циклічного перемикання потужності. Vincotech відреагував на це, створивши інноваційну технологію паяння мікросхем, яка зменшує такі навантаження, щоб підвищити здатність модулів SiC до циклічного перенапруження.

SiC-модулі мають чудову теплопровідність порівняно з іншими пристроями, що дозволяє розробникам зменшити розміри компонентів пасивних фільтрів для більшої щільності потужності, а також зменшити потребу в розсіюванні тепла, знижуючи таким чином загальну вартість системи.

SiC також може допомогти зменшити вагу і розмір силових перетворювачів завдяки тому, що він займає набагато менше місця, ніж традиційні кремнієві пристрої, допомагаючи підвищити ефективність і надійність системи, одночасно зменшуючи вагу і розмір.

Незалежно від сфери застосування, виробники силових перетворювачів повинні гарантувати, що їхні модулі відповідають високим критеріям продуктивності. Це включає в себе досягнення високої частоти перемикання і низької індуктивності розсіювання - важливих елементів для підтримання швидких фронтів, необхідних для оптимальної продуктивності. На щастя, силові модулі Wolfspeed на 3,3 кВ з цільного кремнію відповідають цим суворим стандартам завдяки найкращому в галузі розподілу струму та драйверу затвора.

Висока ефективність

Широкозонні силові напівпровідники SiC мають значно менші втрати порівняно з кремнієвими аналогами, що дозволяє використовувати вищі частоти перемикання та менші пасивні компоненти. Крім того, SiC може витримувати екстремальні температури, не втрачаючи своїх характеристик з часом.

Ці фактори дозволяють розробникам створювати більш енергоефективні, компактні та економічно вигідні системи перетворення енергії з використанням модулів SiC. Їх легка і водночас гнучка конструкція дозволила зменшити вагу тягових інверторів 20% для залізничних вагонів, що використовуються в японській залізничній системі Shinkansen; аналогічно, зарядні пристрої для електромобілів та залізничні зарядні пристрої можуть скористатися перевагами підвищеної ефективності та продуктивності SiC.

Більш тонкий матеріал SiC також зменшує індуктивність комутації, забезпечуючи вищу швидкість перемикання, що призводить до зменшення розмірів компонентів магнітного фільтра і збільшення щільності потужності. Вища частота перемикання також знижує напругу пульсацій для коротших ланцюгів зворотного зв'язку зі зниженим рівнем електромагнітних завад; зменшені втрати на перемикання ще більше знижують втрати потужності, одночасно підвищуючи температурну стабільність.

Wolfspeed пропонує широкий асортимент карбідокремнієвих модулів, що відповідають вимогам різних застосувань, включаючи модулі корекції коефіцієнта потужності змінного/постійного струму, двонаправлені модулі змінного/постійного струму та високочастотні модулі постійного/постійного струму, які допоможуть проектувальникам використати їх переваги. Асортимент Wolfspeed також включає в себе еталонні зразки та набори інструментів для оцінки, які допомагають у процесі проектування.

SiC є привабливим вибором, але реалізація його повного енергетичного потенціалу вимагає вирішення проблем з певними механічними властивостями. Ці проблеми включають термічне навантаження, високі робочі температури і обмежену здатність до циклічного перемикання потужності - проте передова технологія паяння під тиском від Vincotech пропонує рішення для подолання цих труднощів, знімаючи напругу з паяних з'єднань - слабкої ланки в силових модулях SiC.

Технологія компанії використовує запатентований сплав припою, який гарантує, що силові модулі можуть витримувати тривале термічне навантаження без пошкодження кремнієвих пластин, таким чином збільшуючи термін служби і зменшуючи ризик виходу з ладу у вимогливих медичних системах електроживлення. Крім того, ця передова технологія зміцнює зв'язок між чіпами SiC і металевими підкладками, що ще більше підвищує циклічну стійкість чіпів SiC.

Надійність

Карбід кремнію (SiC), як широкозонний напівпровідниковий матеріал, може забезпечити численні переваги у застосуванні для перетворення енергії. Ці переваги можуть включати підвищену ефективність, меншу вартість і менші розміри - хоча для того, щоб реалізувати ці потенційні переваги, необхідно подолати різні технічні перешкоди в проектуванні.

Силові модулі SiC представляють додатковий виклик, коли мова йде про підвищення їхньої здатності витримувати циклічне навантаження. Випробування на циклічність живлення імітують реальні події, які створюють навантаження на внутрішні механізми і матеріали пристроїв. Промисловість використовує випробування на циклічність живлення як еталон продуктивності в різних умовах; для проведення цих випробувань випробувальна машина змінного струму подає на пристрої змінний струм високої напруги, що викликає дисипативні явища, які значно підвищують температуру; більш високі температури вимагають більшої кількості енергії для перемикання зі стану блокування в стан провідності.

Підвищена енергія перемикання призводить до виділення тепла, скорочення терміну служби пристрою та збільшення ризику короткого замикання або лавинного пробою. За таких умов може статися відмова СК або лавинний пробій, що зробить ці пристрої нефункціональними і, зрештою, призведе до повного виходу з ладу.

Традиційні рішення включали додавання додаткових компонентів у схеми для захисту пристроїв, але це збільшує загальну вартість і складність силових перетворювачів. В результаті компанія Danfoss розробила нову інноваційну технологію з'єднання та приєднання, відому як Bond Buffer, яка ефективно вирішує ці проблеми.

Ця запатентована технологія використовує мідний дріт і спечену матрицю для заміни паяних з'єднань в модулях, що дозволяє їм працювати при більш високих максимальних температурах з'єднання без погіршення струму, а також підвищує надійність і розширює можливості циклічного перемикання живлення.

Платформа SiC-модулів Vincotech поєднує в собі швидкість і ефективність MOSFET з карбіду кремнію зі стандартним 62-міліметровим корпусом, що забезпечує максимальну вигоду для користувача в додатках з низькою індуктивністю, таких як промислові електроприводи, зарядні пристрої для електромобілів або пристрої з живленням від акумуляторів.

SiC-модулі Vincotech продемонстрували чудову здатність до циклічного перемикання потужності порівняно з конкурентними пропозиціями, що використовують традиційні сплави припою. Це покращення можна пояснити покращеною здатністю ефективно поглинати та розсіювати теплову енергію.