MOSFET-y Full SiC 3,3 kV – W kierunku wysokowydajnych przetwornic trakcyjnych

3,3 kV MOSFET-y Full SiC – W kierunku wysokowydajnych przetwornic trakcyjnych

Mitsubishi Electric opracowuje nowy układ Full SiC o napięciu znamionowym 3,3 kV i prądzie 750 A. Układ dostarczany jest w najnowszym pakiecie LV100, który jest szczególnie odpowiedni dla zastosowań trakcyjnych i modułowych projektów przetwornic. W tym artykule przedstawiono nowy układ Full SiC i pokazano korzyści wynikające z jego zastosowania w aplikacjach trakcyjnych.

Autorzy: Dr. Nils Soltau, Eugen Wiesner, Mitsubishi Electric Europe B.V., Ratingen, Niemcy oraz Kenji Hatori, Hitoshi Uemura, Mitsubishi Electric Corporation, Fukuoka, Japonia

1. Wprowadzenie

Układy półprzewodnikowe wykonane z węglika krzemu (SiC) są uważane za główną innowację we współczesnej elektronice mocy. W porównaniu z klasycznymi układami krzemowymi (Si), SiC umożliwia bardziej wydajne i kompaktowe przetwornice, co pozwala zaoszczędzić energię elektryczną i cenne materiały.

Przez ostatnie 20 lat Mitsubishi Electric opracował i wdrożył układy SiC dla różnych klas napięć i różnych zastosowań [1]. Teraz, po latach doświadczenia w aplikacjach trakcyjnych z różnymi modułami SiC [2], Mitsubishi Electric podejmuje kolejny krok naprzód. Nowy dwustronny moduł Full SiC o znamionowym napięciu 3,3 kV i prądzie 750 A jest przeznaczony szczególnie do wysoce wydajnych przetwornic trakcyjnych i elastycznych projektów przetwornic. Nazwa tego nowego układu to FMF750DC-66A.

Z uwagi na szybkie przejścia stanów, układy Full SiC wymagają odpowiedniego pakietu oferującego niską indukcyjność pasożytniczą. Dlatego FMF750DC-66A, jak pokazano na Rysunku 1, dostarczany jest w najbardziej zaawansowanym pakiecie dla tej klasy napięcia i mocy: pakiecie LV100. Ten pakiet oferuje indukcyjność pasożytniczą poniżej 10 nH i prostsze połączenie równoległe kilku modułów. Ponadto, wewnętrzny projekt pakietu zapewnia optymalne podzielenie prądu między układy półprzewodnikowe wewnątrz modułu.

Rysunek 1: Nowy układ Full SiC o napięciu 3,3 kV i prądzie 750 A dostarczany w najnowszym pakiecie LV100

2. Porównanie z układami krzemowymi

W kolejnym rozdziale porównywany jest układ FMF750DC-66A z dwoma różnymi układami Si, które również dostarczane są w tym samym pakiecie LV100. Te dwa układy z tej samej klasy napięć mają znamionowy prąd 450 A i 600 A. W dalszej części nazywane są odpowiednio CM450DA-66X i CM600DA-66X zgodnie z ich nazwami typu. Rysunek 2 przedstawia charakterystyki statyczne wszystkich modułów i pokazuje różnice między bipolarnymi IGBT a unipolarnymi MOSFET.

Rysunek 2: Charakterystyka statyczna układów Full SiC w porównaniu do modułów opartych na krzemie o prądach 450 A i 600 A

Należy zauważyć, że wszystkie charakterystyki układów są podane dla odpowiednich maksymalnych temperatur złącza, wynoszących 150°C dla układów krzemowych i 175°C dla układu FMF750DC-66A. Ze względu na liniową zależność prądu i napięcia w przypadku MOSFET-ów, spadek napięcia przy niskich prądach jest znacznie niższy niż w przypadku bipolarnych IGBT-ów (por. Rysunek 2(a)). Jak pokazano na Rysunku 2(b), spadek napięcia układu FMF750DC-66A w kierunku odwrotnym jest znacznie mniejszy w porównaniu do diod prostowniczych układów krzemowych, gdy zarówno dioda (SBD) jak i MOSFET przewodzą prąd odwrotny (tryb prostownika synchronicznego). W rezultacie, zwłaszcza w warunkach małego obciążenia, stosowanie układów unipolarnych znacznie zwiększa sprawność przetwornicy. W kolejnym rozdziale przeliczono to na aplikację trakcyjną.

Rysunek 3: Straty przełączania modułu Full SiC w porównaniu z modułami na bazie krzemu

Rysunek 4: Porównanie FMF750DC-66A z CM600DA-66X

Kolejną bardzo wyraźną zaletą układów Full SiC jest redukcja strat przełączania. Efekt ten wynika ponownie z unipolarnego charakteru układów. Brak odzysku odwrotnego i prądów końcowych zmniejsza energię przełączania i pozwala na wyższe częstotliwości przełączania w porównaniu z układami krzemowymi. Rysunek 3 pokazuje sumę strat energetycznych podczas włączania, wyłączania i odzysku odwrotnego. W porównaniu z IGBT-ami na bazie krzemu, straty przełączania w układzie Full SiC są zmniejszone o 80-90%.

W kolejnym rozdziale przeliczono i omówiono korzyści dla projektu przetwornicy i zamierzonych zastosowań.

Rysunek 5: Maksymalny prąd wyjściowy w zależności od częstotliwości przełączania

3. Zalety na poziomie systemu

Pierwszy przykład dotyczy przetwornic trakcyjnych o częstotliwości przełączania 750 Hz przy napięciu linki stałoprądowej 1500 V. Porównano straty generowane przez układ Si na bazie CM600DA-66X oraz układ Full SiC na bazie FMF750DC-66A. Rysunek 4(a) przedstawia oszczędności energii przy użyciu układu FMF750DC-66A zamiast CM600DA-66X. Szczególnie przy częściowym obciążeniu pojazdu, potencjał oszczędności jest ogromny. Poniżej 400 A prądu wyjściowego układy Full SiC oszczędzają ponad 50% - 80% strat energetycznych wynikających z półprzewodników (przy tej samej wielkości urządzenia).

W szczególności przy częściowym obciążeniu można obniżyć koszty operacyjne związane z energią. Ponadto, dzięki wyższej wydajności i wyższej temperaturze złącza w FMF750DC-66A, maksymalna moc w trybie prostownika wzrasta. Jak przedstawiono na Rysunku 4 (b), maksymalna moc wyjściowa wzrasta o około 60% przy przykładowej częstotliwości przełączania wynoszącej 750 Hz. Ponieważ tryb prostownika służy odzyskiwaniu energii podczas zwalniania pojazdu, potencjalnie można odzyskać więcej energii i podać ją z powrotem do sieci elektrycznej. Ponadto, zmniejsza to obciążenie układu hamowania konwencjonalnego.

Drugi przykład dotyczy przetwornicy podłączonej do sieci działającej z współczynnikiem mocy 0,9. Obliczono maksymalną częstotliwość przełączania w zależności od prądu wyjściowego. Rysunek 5 przedstawia wyniki dla temperatury chłodziwa wynoszącej 40°C. W konsekwencji maksymalna częstotliwość przełączania dla układu FMF750DC-66A wzrasta od 5 do 9 razy w porównaniu z CM600DA-66X przy tej samej wartości prądu.

Wyższa częstotliwość przełączania umożliwia producentom przetwornic projektowanie filtrów sieciowych dla wyższych częstotliwości rezonansowych. W rezultacie wymagane wartości indukcyjności i pojemności dla filtru LCL są niższe. To z kolei zmniejsza rozmiar, koszt i straty filtra. Ponadto, przetwornica osiąga bardziej dynamiczną kontrolę. Ponadto, dla przetwornic maszynowych lub przetwornic DC-DC, wyższa częstotliwość przełączania umożliwia projektowanie bardziej kompaktowych napędów o wysokiej prędkości i przetwornic średnio-falowych [3,4].

Rysunek 6: Możliwości umożliwione przez układ Full SiC FMF750DC-66A

Poza wzrostem częstotliwości przełączania, jak już pokazano na Rysunku 4 (b), utrzymanie stałej częstotliwości przełączania pozwala przetwornicy osiągnąć znacznie wyższą moc wyjściową. Fakt, że układ FMF750DC-66A jest dostarczany w tym samym pakiecie co CM450DA-66X i CM600DA-66X, pozwala na bardziej elastyczne projekty przetwornic i szybki rozwój (mając podobną konfigurację inwertera jak inwerter oparty na krzemie).

Poza omówionymi korzyściami w aplikacjach trakcyjnych i sieciowych, układ FMF750DC-66A zapewnia kolejne korzyści. Rysunek 6 próbuje zobrazować zalety układu FMF750DC-66A na różnych poziomach systemu: na poziomie modułu, na poziomie przetwornicy i na poziomie aplikacji. Ogólnie rzecz biorąc, zastosowanie nowego układu FMF750DC-66A ma sens w tych aplikacjach, gdzie te korzyści na poziomie systemu potencjalnie rekompensują wyższe koszty obecnych układów SiC w porównaniu z ugruntowanymi układami krzemowymi.

4. Podsumowanie

Mitsubishi Electric oferuje szeroki wybór w zaawansowanym pakiecie LV100. Teraz do oferty o napięciu 3,3 kV dodano moduł Full SiC o prądzie 750 A. Moduł FMF750DC-66A Full SiC zwiększa gęstość mocy przetwornicy dzięki wyższej częstotliwości przełączania i wyższej temperaturze złącza wynoszącej 175°C. Ponadto, moduł osiąga wyższą sprawność systemu. Szczególnie przy częściowym obciążeniu lub działania w trybie prostownika, układ FMF750DC-66A zmniejsza straty przetwornicy o 50 - 80%. Układ FMF750DC-66A dostarczany jest w tym samym niskooporowym pakiecie LV100 co jego odpowiedniki na bazie krzemu. Dla producentów przetwornic ułatwia to przejście z krzemu na SiC i daje ogromną elastyczność.

Odwołania

[1] E. Thal i J. Yamada, "SiC Power Modules for a Wide Application Range," Bodo’s Power Systems, Wrzesień 2017.
[2] Mitsubishi Electric, Mitsubishi Electric Installs Railcar Traction System with All- SiC Power Modules on Shinkansen Bullet Trains, Informacja prasowa nr 2942, Czerwiec 2015.
[3] L. Luise i inni, Projektowanie optymalizacji i testowanie silników o wysokiej wydajności: ocena kompromisu między jakością rozwoju projektu a kosztami produkcji bezszczotkowego silnika PM z magnesami Halbacha, IEEE Industry Applications Magazine, 2016.
[4] M. Claessen, D. Dujic, F. Canales, J. K. Steinke, P. Stefanutti and C. Vetterli, Traction transfomration - A power-electronic traction transformer, ABB review, 01/2012.