Інвертор з карбіду кремнію

Інвертори - важливий компонент силової установки електромобіля (EV), на який часто не звертають уваги. Їхній вплив безпосередньо впливає на ефективність, що, в свою чергу, впливає на дальність пробігу та час заряджання акумулятора.

Силові напівпровідники з карбіду кремнію швидко стали найкращим вибором для інверторів електромобілів завдяки їхній вищій продуктивності порівняно з традиційними кремнієвими пристроями. У цій статті ми розглянемо п'ять ключових переваг, пов'язаних з використанням інверторів з карбіду кремнію.

1. Висока пробивна напруга

Карбід кремнію (SiC) - це складний напівпровідниковий матеріал, що складається з кремнію та вуглецю, який забезпечує чудову термічну та хімічну стабільність і має ширшу, ніж у кремнію, ширину забороненої зони на 3,2 еВ. Крім того, вища теплова ефективність SiC означає зменшення втрат енергії та подовження терміну експлуатації.

SiC-інвертори - це пристрої для перетворення постійного струму на змінний, що робить їх корисними, зокрема, для виробництва сонячної енергії та заряджання електромобілів. Їх більша ефективність порівняно зі звичайними інверторами дозволяє їм працювати при більш високих напругах і струмах, при цьому вони займають менше місця і легші в цілому, ніж традиційні інвертори.

SiC - це інноваційний широкозонний напівпровідниковий матеріал з високою пробивною напругою (VBR) і наднизьким опором стоку-витоку (RonS), у 300-400 разів нижчим, ніж у кремнієвих приладів з аналогічною VBR. SiC MOSFET можуть бути виготовлені шляхом осадження кремнезему на кремнієві пластини, легування підкладки та створення MOSFET з тонкими дрейфовими шарами, які забезпечують надійність навіть при високих температурах.

Високий струм затвора є невід'ємним компонентом комутаційних пристроїв на основі SiC, оскільки це дозволяє використовувати ізольовані драйвери затворів і, таким чином, знизити загальну вартість системи, підвищити ефективність і продуктивність, усунути паразитні ефекти на приводах затворів і знизити загальну вартість системи. Драйвери затворів ROHM підтримують всі покоління SiC-перемикачів, працюючи при більш високій напрузі, ніж IGBT з мінімальним струмом затвора 3А; IGBT зазвичай досягають лише струму 1-2%. Крім того, їхня вища частота перемикання дозволяє створювати компактні, енергоефективні інвертори.

2. Нижчі втрати при перемиканні

SiC MOSFET демонструють менші втрати при перемиканні в умовах часткового навантаження, ніж традиційні кремнієві прилади, завдяки зменшенню втрат провідності в їхніх пристроях, що сприяє зниженню втрат енергії під час процесів перемикання і, в кінцевому підсумку, призводить до більш високої ефективності силових каскадів інверторів з карбіду кремнію.

SiC має кращу теплопровідність порівняно з кремнієм, а це означає, що він може витримувати вищі температури без деградації, що дає конструкторам більше свободи у виборі, коли і при яких температурах використовувати інвертори з карбіду кремнію; навіть високотемпературні застосування, такі як тягові інвертори електромобілів, можуть отримати вигоду від цього.

SiC MOSFET менш схильні до пошкодження оксидом затвора від гарячих точок, які зустрічаються в звичайних кремнієвих транзисторах, що допомагає продовжити термін їх служби і продуктивність - важливий фактор, оскільки силові інвертори повинні забезпечувати стабільно високу продуктивність.

Технологія карбіду кремнію для інверторів все ще стикається з кількома перешкодами, головною з яких є вартість. Силові напівпровідники з карбіду кремнію, як правило, дорожчі за кремнієві аналоги, але зі зростанням попиту на інвертори з карбіду кремнію очікується, що виробничі витрати відповідно знизяться.

ON Semiconductor тісно співпрацює з виробниками електромобілів (EV), щоб полегшити їхній перехід на технологію карбіду кремнію, в тому числі тісно співпрацює з командою Mercedes EQ Formula E над силовими інверторами наступного покоління для електромобілів. Вони дозволять збільшити запас ходу та прискорення за рахунок оптимізації ефективності перетворення енергії в силових каскадах електроприводу.

Інвертор оснащений повномостовим модулем з використанням автомобільної траншейної MOSFET-технології CoolSiC, яка спеціально оптимізована для високовольтних недорогих тягових інверторів електромобілів. Кожен модуль може похвалитися блокуючою напругою 1200 В, необхідною для електромобілів з великими батареями, з великим запасом ходу і швидким часом зарядки - це значне поліпшення в порівнянні з 600-вольтовими інверторами, які сьогодні використовуються в подібних транспортних засобах.

3. Висока ефективність

Інвертори перетворюють постійний струм (DC) на змінний (AC). Вони широко використовуються в системах перетворення енергії, починаючи від систем відновлюваної енергетики та електромобілів і закінчуючи промисловим обладнанням. За останнє десятиліття технологія інверторів стрімко розвивалася, щоб задовольнити потреби у збільшенні питомої потужності, підвищенні ефективності, надійності, зменшенні розмірів і ваги компонентів, а також покращенні експлуатаційних характеристик, таких як втрати частоти при перемиканні напруги, а також зменшення розмірів компонентів. SiC-інвертори забезпечують значне підвищення продуктивності щодо частотних втрат комутованої напруги, а також зменшення розмірів і ваги компонентів порівняно з інверторами попереднього покоління.

Напівпровідникові польові транзистори з карбіду кремнію (MOSFET), які можуть працювати при значно нижчих температурах, ніж їхні аналоги IGBT, мають вищі номінальні струми, що дозволяє використовувати менші магніти і знизити складність схеми, а їхня міцніша конструкція дозволяє їм безвідмовно витримувати теплові навантаження.

SiC MOSFETs мають траншейну структуру, яка сприяє збільшенню щільності комірок і зменшенню напруженості поля оксиду затвора для зниження втрат провідності, що дозволяє знизити частоту перемикання, підвищуючи ефективність і знижуючи вартість системи.

Чудова теплопровідність карбіду кремнію також сприяє зниженню внутрішнього паразитного опору і стабілізації температурної стабільності пристроїв, що значно зменшує втрати енергії порівняно з кремнієвими пристроями, роблячи їх більш енергоефективними в умовах повного навантаження.

Компанія Jing-Jin Electric розробила свій інвертор для електромобілів самостійно, використовуючи найсучаснішу технологію напівпровідникового карбіду кремнію з широкою смугою пропускання. Інвертор оснащений допоміжним джерелом живлення від автомобільних акумуляторів для підтримки низької напруги 24 В, коли це необхідно.

ROHM пропонує широкий асортимент напівпровідникових приладів для силової електроніки. Їх продукція включає діоди з карбіду кремнію, діоди Шотткі та МДН-транзистори для різних рівнів напруги - кожен продукт розроблений для максимізації продуктивності, пропонуючи максимальну густину струму в невеликих розмірах корпусу з мінімальними паразитними ефектами, такими як паразитна індуктивність.

4. Висока надійність

Силові напівпровідники SiC значно підвищують надійність фотоелектричних інверторних систем. Їх використання значно зменшує складність схеми, розмір і вагу, одночасно забезпечуючи вищу ефективність, довший термін служби в суворих умовах експлуатації при вищих напругах/струмах, а також кращу роботу в ширшому діапазоні температур, що дозволяє заощадити гроші на витратах на охолодження обладнання.

Широка ширина забороненої зони карбіду кремнію дозволяє транзисторам працювати при більш високих температурах і частотах, що призводить до менших втрат на перемикання, ніж у IGBT або біполярних транзисторів, які мають відносно вузьку робочу смугу і обмежений частотний діапазон. Діоди з бар'єром Шотткі та MOSFET, виготовлені з SiC, мають значно менші втрати на перемикання на будь-якій частоті порівняно з IGBT або біполярними транзисторами і можуть працювати в ширшому температурному діапазоні.

Проектування фотоелектричного інвертора з використанням силових компонентів SiC вимагає врахування багатьох конструктивних параметрів. При плануванні компонування друкованої плати необхідно також визначити пріоритети щодо маршрутизації живлення, зменшення шуму, ефективного охолодження та відповідності галузевим вимогам. Крім того, необхідно дотримуватися стандартів електромагнітної сумісності (ЕМС), а також автомобільних норм з метою забезпечення відповідності. Для досягнення оптимальних результатів життєво важливо, щоб перед початком виробництва було проведено всебічне тестування та перевірку якості.

SiC-інвертори є ідеальним рішенням для розподілених фотоелектричних систем та систем зберігання енергії, які потребують двостороннього перетворення енергії постійного/змінного струму. Сонячні панелі з'єднуються в ланцюжки і направляють енергію постійного струму безпосередньо до одного інвертора, який перетворює її на змінний струм, що потім може живити будинки або підприємства. Невеликий і легкий інвертор SiC можна легко встановлювати і переміщати з місця на місце, при цьому він більш екологічний, ніж традиційні інвертори, завдяки зменшенню вуглецевого сліду і потреб в енергії, а також економії витрат на установку і часу на встановлення.

5. Компактний розмір

Інвертори є ключовими компонентами систем електромобілів (EV). Вони перетворюють постійний струм від акумулятора автомобіля в змінний для живлення його двигуна. Таким чином, інвертори допомагають зменшити вагу і розмір автомобіля, одночасно покращуючи прискорення, продуктивність і дальність пробігу - не кажучи вже про більш ефективне охолодження, що призводить до зменшення викидів вуглекислого газу.

Інвертори з карбіду кремнію набагато менші за свої кремнієві аналоги завдяки зменшеним втратам при перемиканні та вищій пробивній напрузі SiC-пристроїв, що призводить до зменшення довжини ланцюга, а це, в свою чергу, зменшує розмір, вартість та площу, яку займає інвертор. Крім того, їх компактний форм-фактор дозволяє легко інтегрувати в невеликі приміщення.

Силові модулі CoolSiC XM3 від Wolfspeed мають кілька явних переваг над кремнієвими MOSFET для силових інверторів з тією ж номінальною потужністю, включаючи менший розмір 60%, менший загальний об'єм і поліпшені характеристики паразитної індуктивності завдяки інтегрованій конструкції холодної пластини з рідинним охолодженням, що охолоджується мікродеформацією.

Технологія SiC MOSFET третього покоління Wolfspeed оптимізована в цих модулях за допомогою вдосконаленої конструкції, яка максимізує її продуктивність, включаючи траншейну структуру MOSFET для більшої щільності комірок, підвищеної надійності комірок пристрою і низьких втрат при перемиканні, що дозволяє працювати на більш високих частотах зі зниженою напруженістю поля оксиду затвора.

Ця комбінація дозволила створити високоефективний інвертор, який пропонує покращену продуктивність і надійність порівняно з традиційними рішеннями на основі кремнію. Технічна співпраця ON Semiconductor з командою Формули E Mercedes-EQ виявилася дуже корисною для розробки тягового інвертора з використанням пристроїв XM3 та збільшення дальності ходу електричної силової установки. Партнерство з ON Semiconductor також дозволило вдосконалити систему перетворення енергії та підвищити продуктивність гоночного боліда.