Moduły Mocowe SiC do szerokiego zakresu zastosowań

Moduły Mocowe SiC do szerokiego zakresu zastosowań

Innowacyjne Urządzenia Mocowe dla Zrównoważonej Przyszłości

Autorzy: J. Yamada Mitsubishi Electric, Dział Urządzeń Mocowych, Fukuoka, Japonia oraz E. Thal Mitsubishi Electric Europe, Ratingen, Niemcy

Etapy Rozwoju Modułów Mocowych SiC Mitsubishi

Obecnie dostępne moduły mocy SiC od Mitsubishi Electric (patrz Rysunek 1) należą do pierwszej fazy komercjalizacji technologii SiC, która rozpoczęła się około 2010 roku.

Rysunek 1: Obecny zakres modułów SiC (Oś X: prąd znamionowy modułu w A; Oś Y: klasa napięcia)

Niemniej jednak, rozwój technologii SiC w Mitsubishi Electric rozpoczął się znacznie wcześniej, ponad 20 lat temu, zobacz [1]. W pierwszej dekadzie 1994...2004 wysiłki badawcze skupiały się głównie na samej technologii układów scalonych SiC, zarówno dla tranzystorów MOSFET SiC, jak i diod Schottky'ego SiC. Po tym okresie, w latach 2005...2009, skupiono się na osiągalnych korzyściach systemowych wynikających z użycia modułów SiC w falownikach. W tym celu zaprojektowano i oceniono kilka demonstratorów falowników SiC w ramach różnych zastosowań. Faza komercjalizacji modułów SiC rozpoczęła się w latach 2010...2014. W tym okresie wprowadzono na rynek kilka rodzajów modułów SiC pełnych i hybrydowych, a pierwsze falowniki produkowane przemysłowo z modułami SiC Mitsubishi pojawiły się głównie w Japonii. Jednocześnie technologia układów scalonych SiC MOSFET była ciągle udoskonalana; zobacz, na przykład, roadmapę rozwoju dla napięcia 1200V na Rysunku 2.

W szczególności od 2015 roku moduły SiC zaczęły pojawiać się w wielu nowych obszarach zastosowań. Ten proces ekspansji wciąż trwa i nawet nabiera tempa. Obecnie dostępne moduły mocy SiC od Mitsubishi Electric obejmują szeroki zakres prądów i napięć, patrz Rysunek 1.

Artykuł ten wyjaśnia potencjał innowacji technologii SiC w systemach elektroniki mocy, odnosząc się głównie do trzech przykładów modułów mocy SiC wybranych spośród przedstawionego zakresu produktów na Rysunku 1:

• 15A/600V Pełny Moduł SiC DIPIPM, nazwa typu: PSF15S92F6
• 800A/1200V Pełny Moduł Dwustronny SiC, nazwa typu: FMF800DX2-24A
• 750A/3,3kV Pełny Moduł Dwustronny SiC, nazwa typu: FMF750DC-66A

15A/600V pełny układ DIPIPM typu SiC Super mini (PSF15S92F6)

Ten pełny układ DIPIPM typu SiC Super mini został wprowadzony w październiku 2016 roku do nowej klimatyzacji pokojowej Mitsubishi „Kirigamine“ FZ i Z-Series

Wysoka efektywność energetyczna jest kluczowym wymaganiem dla systemów klimatyzacji z inwerterem. PSF15S92F6 został opracowany dla urządzeń gospodarstwa domowego, takich jak klimatyzatory, pralki, lodówki [2].

Rysunek 2: Roadmapa rozwoju układu 1200V SiC MOSFET

Rysunek 3: Serie klimatyzatorów pokojowych „Kirigamine”

Rysunek 4: Schemat obwodu PSF15S92F6

Schemat obwodu jest przedstawiony na rysunku 4. Zawiera on falownik 3-fazowy z tranzystorami SiC-MOSFET oraz ich układami sterującymi. Kształt obudowy jest pokazany na rysunku 5. W porównaniu z konwencjonalnym 15A układem Si-IGBT DIPIPM, który jest wykonany w tej samej obudowie modułu, nowy pełny układ SiC DIPIPM oferuje 70% mniejsze straty mocy przy tych samych warunkach aplikacyjnych (patrz rys. 6). Wykorzystanie PSF15S92F6 pozwoliło osiągnąć wyjątkową efektywność energetyczną nowych klimatyzatorów pokojowych „Kirigamine”.

Rysunek 5: Szkic obudowy PSF15S92F6

Rysunek 6: Porównanie strat mocy Si-IGBT z pełnym układem SiC-DIPIPM

Inna korzyść wynikająca z zastosowania pełnego układu SiC-DIPIPM pokazana jest na rysunku 7: Gładkie wygaszanie diody przy włączaniu tranzystora MOSFET znacznie zmniejsza emitowane zakłócenia elektromagnetyczne (EMI), co pozwala na zastosowanie mniej wymagających filtrów EMI.

Rysunek 7: Poprawiona EMI dzięki gładkiemu wygaszaniu FWDi

Zaawansowany moduł podwójny o pełnym SiC 800A/1200V (FMF800DX2-24A)

Rysunek 8: Zaawansowany moduł podwójny o pełnym SiC 800A/1200V FMF800DX2-24A

Rysunek 9: Schemat wewnętrzny FMF800DX2-24A

Rysunek 10: Zalecany układ sterowania bramką do ochrony przed zwarciami na SiC

Rysunek 11: Fale zabezpieczające przed zwarciami podczas pracy RTC

W kwietniu 2015 roku opisaliśmy w Bodo’s Power [3] nowy moduł podwójny o pełnym SiC 800A/1200V (o nazwie FMF800DX-24A). W celu efektywnego sterowania i ochrony tego urządzenia został opracowany dedykowany układ sterowania bramką przez Power Integrations GmbH [4]. Ostatnio Mitsubishi wprowadziło zaawansowaną wersję tego modułu o pełnym SiC 800A/1200V o nowej nazwie FMF800DX2-24A. Układ żetonów SiC o niskich stratach jest taki sam, ale obudowa jest zmodyfikowana w porównaniu z poprzednią wersją, patrz rysunek 8. Wewnętrzna indukcyjność obudowy wynosi mniej niż 10nH, a napięcie izolacji wynosi Viso=4kV AC. Moduły Real Time Control (RTC) są zaimplementowane w module zarówno dla tranzystorów SiC-MOSFET typu P, jak i N, patrz rysunek 9. Ten RTC wykorzystuje wbudowane czujniki prądu w żetonach MOSFET do detekcji zwarcia i efektywnego ograniczenia prądu zwarcia poprzez szybkie wyłączanie napięcia bramkowego; patrz rysunki 10 i 11.

Porównując straty mocy modułu o pełnym SiC 800A/1200V FMF800DX(2)-24A z jego odpowiednikiem Si przy tych samych warunkach aplikacyjnych, zalety SiC stają się oczywiste [1], patrz przykład inwertera 110KW przedstawiony na rysunku 12.

Rysunek 12: Porównanie strat mocy Si-IGBT z pełnym modułem SiC (oba 800A/1200V)

Istnieją dwie możliwości wykorzystania tej korzyści:

1. Jeśli zachowamy tę samą częstotliwość przełączania, co w przypadku konwencjonalnych modułów IGBT, straty mocy inwertera zostaną drastycznie zmniejszone. Poprawia to efektywność inwertera i oferuje nowy stopień swobody w celu zmniejszenia rozmiarów inwertera przez zmniejszenie wymiarów radiatora. Jest to interesujące dla aplikacji, w których wymagane są wysokie gęstości mocy inwertera, zwłaszcza jeśli przestrzeń do instalacji inwertera jest ograniczona.
2. Jeśli zachowamy straty mocy inwertera na tym samym poziomie co w przypadku modułów IGBT (czyli efektywność inwertera i rozmiar radiatora pozostaną takie same), częstotliwość przełączania może zostać zwiększona o współczynnik 3...5. W aplikacjach, gdzie występują duże komponenty magazynujące indukcyjnie, to pozwoli na uzyskanie nowego stopnia swobody w celu zmniejszenia rozmiarów (i kosztu) tych cewek.

Oczywiście, możliwe jest dowolne połączenie obu aspektów 1. i 2., aby uzyskać najlepsze korzyści w danej aplikacji przy użyciu pełnego modułu SiC FMF800DX(2)-24A.

750A/3300V Pełny moduł podwójny SiC (FMF750DC-66A)

W czerwcu 2015 roku Mitsubishi Electric ogłosiło zainstalowanie pierwszego systemu napędowego Railcar z wykorzystaniem modułów mocy All-SiC o prądzie 1500A/3300V w pociągu Shinkansen Bullet Train [5] (Rys.13). Zalety systemu zostały opisane jako zmniejszenie rozmiaru inwertera o 55% i redukcję wagi inwertera o 33%.

W [6] został przedstawiony nowo opracowany moduł podwójny FMF750DC-66A o pełnym SiC o prądzie 750A/3300V. Zawiera on tranzystory SiC-MOSFET z antyrównoległymi diodami Schottky'ego. W celu uzyskania niskiej indukcyjności wewnętrznej obudowy (<10nH) i dobrego dzielenia prądu między zrównoleglonymi żetonami, zastosowano nową podwójną obudowę o nazwie LV100 (patrz rysunek 14).

Rysunek 13: Pierwszy inwerter napędowy All-SiC w pociągu Shinkansen Bullet Train

Rysunek 14: Moduł podwójny o pełnym SiC 750A/3300V w obudowie LV100

Porównano fale przełączania Si-IGBT o prądzie 750A/3300V i FMF750DC-66A na rysunku 15 (włączanie) i rysunku 16 (wyłączanie).

Energia przełączania FMF750DC-66A jest znacznie niższa w porównaniu z jego odpowiednikiem Si: Eon jest zmniejszone o 61%, a Eoff jest zmniejszone o 95%.

Rysunek 15: Fale przełączania (włączanie)

Rysunek 16: Fale przełączania (wyłączanie)

Ta drastyczna redukcja strat przełączania przez SiC może być wykorzystana w kilku kierunkach, jak opisano wcześniej w rozdziale 3: 1. dla zmniejszenia rozmiaru układu inwertera / poprawy wydajności inwertera lub 2. dla zwiększenia częstotliwości przełączania lub, jako kombinacja 1. i 2., w zależności od priorytetów w danej aplikacji.

Aby spełnić specyficzne wymagania środowiskowe i niezawodnościowe w aplikacjach trakcyjnych, nowy FMF750DC-66A przeszedł wiele testów potwierdzających [6]:

• 1000h HTRB przy Vds=2810V; Vgs=-10V; Tj=175°C
• Test stabilności w promieniowaniu kosmicznym
• 1000h HTGB przy Vgs=+/-20V; Vds=0V; Tj=175°C
• Test cyklicznego obciążenia przy Tj(max)=175°C
• 1000h test H3TRB przy Ta=85°C; RH=85%; Vds=2100V; Vgs=-10V
• Test przełączania przez 1500h przy Vds=1650V; Id=354A; fo=20Hz; fc=1kHz

Rysunek 17: Żeton SiC-MOSFET o prądzie 300A/1200V

Jako wynik potwierdzono, że wydajność FMF750DC-66A nadaje się do użytku w systemach trakcyjnych. Ten nowy moduł mocy całkowicie wykonany z SiC ma o około 80% niższe straty przełączania niż konwencjonalny moduł mocy Si. Przy zastosowaniu FMF750DC-66A w inwerterze napędu w pojeździe szynowym udało się zmniejszyć całkowite straty mocy o 30% w porównaniu z istniejącym systemem.

Rysunek 18: Ultra-kompaktowy inwerter o mocy 430kVA/dm³ dla pojazdów hybrydowych

Działania badawczo-rozwojowe w celu rozwijania technologii SiC

Równolegle do działań projektowych już istniejących modułów mocy SiC (patrz rysunek 1), prowadzone są różnorodne działania badawczo-rozwojowe w celu dostosowania technologii SiC do nowych zastosowań.

Jednym bardzo obiecującym kierunkiem jest wykorzystanie SiC w aplikacjach związanych z napędem pojazdów samochodowych. W [7] zgłoszono testową produkcję żetonów SiC-MOSFET o prądzie 300A/1200V, o wymiarach 10x10mm² i określonym oporze Ron=5,9mΩcm² @ Vg=15V; Ids=300A, patrz rysunek 17. Chociaż jest to wynik sprzed 2 lat, to wciąż (według września 2017 roku) największy na świecie żeton SiC-MOSFET o napięciu 1200V.

Kolejnym przykładem pionierskich działań Mitsubishi Electric w celu wprowadzenia technologii SiC do aplikacji motoryzacyjnych jest przedstawiony na rysunku 18. Ten ultrakompaktowy moduł sterowania o mocy 430kVA, przeznaczony do zastosowań w pojazdach hybrydowych, został wbudowany w obudowę o wymiarach 275x151x121mm³. Reprezentuje to największą na świecie gęstość mocy inwertera wynoszącą 86kVA/dm³ [8].

Kolejna ważna działalność badawcza skupia się na rozszerzeniu technologii SiC na wyższe napięcia blokujące. W [9] zgłoszono udaną produkcję żetonów SiC-MOSFET o napięciu 6500V i wymiarach 8,1x8,1mm² z wbudowanymi diodami Schottky'ego (SBD), patrz rysunki 19 i 20.

Rysunek 19: Płytka żetonów SiC-MOSFET o napięciu 6500V z wbudowanymi SBD

Rysunek 20: Charakterystyka drenu żetonu SiC-MOSFET o napięciu 6,5kV z wbudowanymi SBD

Ta nowa metoda oferuje dwie korzyści:

1. Integracja antyrównoległej diody SBD w żetonie SiC-MOSFET pozwala znacznie zmniejszyć potrzebną powierzchnię aktywną żetonu w module mocy. Przykład w [9] wskazuje na współczynnik redukcji wynoszący 3 do 4 w porównaniu z modułami z oddzielnymi żetonami SBD, co umożliwia projektowanie modułów o bardzo wysokich gęstościach prądu.
2. Wbudowana dioda SBD umożliwia pełne jednokierunkowe działanie MOSFET w obu kierunkach bez degradacji. W takim układzie na żetonie nie występuje parasityczny wzrost oporu w czasie działania diody, ponieważ bipolarna dioda ciała SiC-MOSFET jest zawsze bezpiecznie obejściem przez wbudowaną diodę SBD. Wyniki testów długotrwałej niezawodności opisane w [9] pokazują, że taka struktura SiC-MOSFET jest całkowicie wolna od znanego efektu degradacji bipolarnych spowodowanego ekspansją wad powierzchniowych.

Podsumowanie i perspektywy

Mitsubishi Electric jest pionierem w badaniach technologii SiC dla modułów mocy. Dostępna jest już szeroka gama modułów mocy SiC o prądach od 15A do 1200A i napięciach od 600V do 3300V. Główną zaletą dzisiejszych modułów mocy SiC w porównaniu z konwencjonalnymi modułami Si-IGBT jest drastyczne zmniejszenie strat przełączania. W zależności od konkretnych wymagań w danej aplikacji inwertera, ta korzyść może być wykorzystana do zmniejszenia rozmiaru inwertera / poprawy wydajności inwertera lub do zwiększenia częstotliwości przełączania. Obszar zastosowań inwerterów opartych na SiC ciągle się rozszerza. Dzięki szerokim działaniom badawczym w zakresie SiC Mitsubishi Electric stale poszerza podstawy dla nadchodzącej ery półprzewodników mocy SiC.

Referencje

[1] SiC Power Devices Catalogue 2017; Mitsubishi Electric Publication HG-802D, kwiecień 2017
[2] DPH13502-E: Super Mini Full SiC DIPIPM Application Note; opublikowano w lutym 2017 roku
[3] E.Thal et al.: New 800A/1200V Full SiC Module; Bodo’s Power Systems, kwiecień 2015, str. 28-31
[4] E.Wiesner et al.: Advanced protection for large current full SiC modules; PCIM-Europe 2016, materiały konferencyjne, str. 48-52
[5] Mitsubishi Electric Press Release No.2942: Mitsubishi Electric Installs Railcar Traction System with All-SiC Power Modules on Shinkansen Bullet Trains; Tokio, 25 czerwca 2015 roku
[6] T.Negishi et al.: 3,3kV All-SiC Power Module for Traction use, PCIM-Europe 2017, materiały konferencyjne, str. 51-56
[7] M.Furuhashi: Recent Developments in High Power SiC MOSFETs and Modules; prezentacja na ECPE User Forum: Potential of Wide Bandgap Semiconductors in Power Electronic Applications; 20-21 kwietnia 2015 roku, University of Warwick, Wielka Brytania.
[8] Mitsubishi Electric Press Release No. 3088: “Mitsubishi Electric Develops World’s smallest SiC Inverter for HEVs”; Tokio, 9 marca 2017 roku
[9] K.Kawahara et al.: 6,5kV Schottky-Barrier-Diode embedded SiC-MOSFET for Compact Full-Unipolar Module; 29th ISPSD-Conference, 28 maja - 1 czerwca 2017 roku, Sapporo, Japonia.