Nowy moduł Full SiC 800A/1200V

Nowy moduł Full SiC 800A/1200V

Poprzez wykorzystanie półprzewodników SiC można znacznie poprawić wydajność systemów elektroniki mocy.

Autorzy: Eckhard Thal, Koichi Masuda i Eugen Wiesner, Mitsubishi Electric Europe B.V., Ratingen, Niemcy

Ewolucja technologii SiC w modułach mocy oraz potencjał redukcji strat związanych z nimi przedstawiony jest na Rysunku 1. Mitsubishi opracowało dwa nowe rodzaje modułów pełno-SiC o prądach znamionowych 800A i 1200A oraz napięciu znamionowym 1200V [1]; [2]. Niniejszy artykuł opisuje moduł 800A.

Rysunek 1: Ewolucja technologii SiC w modułach mocy

Kształt obudowy i schemat obwodu

Wygląd nowego modułu pełno-SiC 800A/1200V (nazwa: FMF800DX-24A) oraz jego wewnętrzny schemat obwodu przedstawione są na Rysunku 2. Moduł zawiera dwa układy półmostkowe 400A. Poprzez zewnętrzne równoleglenie głównych terminali P-, N- i AC, tworzy się konfiguracja 2w1 800A/1200V. Dzięki takiemu podejściu, indukcyjność wewnętrznej obudowy LS została zredukowana do mniej niż 10 nH, co jest istotne dla ograniczenia skoków przepięciowych na poziomie chipa, wynikających z dużego di/dt przy przełączaniu SiC-MOSFET.

Rysunek 2: Schemat obudowy FMF800DX-24A i wewnętrzny schemat obwodu

Wymiary płytki bazowej FMF800DX-24A wynoszą 62 mm x 121 mm. Dlatego też rozmiar modułu pełno-SiC 800A/1200V jest około połowy wielkości w porównaniu z konwencjonalnymi modułami IGBT opartymi na Si o tym samym prądzie znamionowym, patrz Rysunek 3.

Rysunek 3: Porównanie wymiarów

Do monitorowania temperatury płytki bazowej TC, w module znajduje się czujnik NTC umieszczony blisko układów MOSFET/FWDi. Do ochrony przed zwarciem i nadprądami używane są układy MOSFET z wbudowanym czujnikiem prądu w jednym z konfiguracji półmostkowych (patrz Rysunek 2).

Główne parametry modułu

Główne parametry modułu pełno-SiC 800A przedstawione są w Tabeli 1.
Wartości VDS, RDS(on) i VSD podane są na poziomie układu scalonego.

Tabela 1: Główne parametry FMF800DX-24A

Charakterystyki przełączania

Przykładowe przebiegi przełączania włączania i wyłączania przy VCC=800V; TJ=150°C; RG(on)=RG(off)=5Ω przedstawione są na Rysunku 4 i 5 dla różnych prądów drenu ID=140A…1400A.

Rysunek 4: Przebiegi włączania / Rysunek 5: Przebiegi wyłączania

W celu ograniczenia skoków przepięciowych podczas wyłączania, kondensator cross-snubber o pojemności CS=6μF został podłączony między terminalami P- i N-. Zależność prędkości przełączania di/dt od prądu drenu ID przedstawiona jest na Rysunku 6 i 7 dla różnych temperatur złącza TJ=25°C; 75°C; 125°C; 150°C i różnych napięć DC-link VCC=600V; 800V.

Rysunek 6: Prędkość włączania di/dt w zależności od I_D / Rysunek 7: Prędkość wyłączania di/dt w zależności od I_D

Z Rysunków 6 i 7 można wyciągnąć dwie uwagi:

• Pochylenia prądowe podczas włączania i wyłączania nie wykazują silnej zależności od temperatury złącza TJ i napięcia DC-link VCC. To zachowanie różni się od modułów IGBT obecnych na rynku.
• Maksymalna wartość di/dt przy wyłączaniu ID=1400A wynosiła około 13A/ns, co jest dość podobne do prędkości przełączania znanej z modułów IGBT o dużej prądowości i napięciu 1200V, dostępnych obecnie na rynku.

Porównanie strat z modułami IGBT opartymi na Si

Charakterystyki przewodzenia nowego modułu pełno-SiC 800A oraz istniejącego modułu IGBT opartego na Si o prądzie 800A są porównane na Rysunku 8.

Rysunek 8: Charakterystyki przewodzenia

Porównanie energii przełączania w Rysunku 9 wskazuje kluczową korzyść technologii SiC: straty przełączania mogą być drastycznie zmniejszone w porównaniu z modułami IGBT opartymi na Si.

Rysunek 9: Porównanie energii przełączania

Ta korzyść jest widoczna w wynikach symulacji strat mocy na parze tranzystorów/FWDi w operacji inwertera dla dwóch różnych częstotliwości PWM: 15 kHz i 30 kHz oraz odpowiadającego im wzrostu temperatury ΔT(j-c) na Rysunku 10 i Rysunku 11.

Całkowita strata mocy może być drastycznie zredukowana (o 71% dla 15 kHz i 76% dla 30 kHz), gdy używany jest moduł pełno-SiC. Redukcja strat wynika głównie z redukcji strat przełączania. Wnioski: moduły pełno-SiC są bardzo odpowiednie dla zastosowań wymagających wysokich częstotliwości przełączania, gdzie konwencjonalne moduły IGBT oparte na Si osiągają swoje ograniczenie termiczne.

Rysunek 10: Symulacja strat i ΔT(j-c) przy fc=15 kHz; VCC=600V; IO=400A(szczytowe); PF=0,8; M=1,0

Rysunek 11: Symulacja strat i ΔT(j-c) przy fc=30 kHz; VCC=600V; IO=400A(szczytowe); PF=0,8; M=1,0

Sterownik bramkowy z ochroną przed zwarciem

Nowy moduł pełno-SiC 800A/1200V jest w stanie wytrzymać prąd zwarcia przez ograniczony czas tSC(max)=2,5μs. Ten limit jest określony w specyfikacji SCSOA.

Dla konwencjonalnych modułów IGBT opartych na Si, typowo określana jest zdolność do prądu zwarcia tSC(max)=10μs. W takich konwencjonalnych sterownikach IGBT czas opóźnienia pomiędzy wykryciem wyjścia z stanu nasyconego a wyłączeniem prądu zwarcia to=1-3μs, co jest wystarczające, aby zapewnić zarówno brak fałszywego wyłączenia ochrony przed zwarciem, jak i bezpieczne wyłączanie prądu zwarcia.

Mając na uwadze stosunkowo krótki czas tSC(max)=2,5μs określony dla nowego modułu pełno-SiC 800A/1200V, proponowana jest inna metoda ochrony przed zwarciem, znana jako RTC (Real Time Current Control). W tym celu, jeden układ MOSFET p-stronny i jeden n-stronny SiC są wyposażone w elektrodę czujnika prądu (patrz Rysunek 2). Równoważny obwód oraz zewnętrzny widok układu MOSFET SiC przedstawiono na Rysunku 12.

Rysunek 12: Układ MOSFET SiC z terminalem czujnika prądu

Blokowy diagram funkcjonalny dedykowanego sterownika bramkowego dla FMF800DX-24A z wykorzystaniem proponowanej ochrony RTC przed zwarciem przedstawiono na Rysunku 13. Wykresy przebiegów prądu zwarcia w trakcie działania RTC pokazano na Rysunku 14.

Rysunek 13: Zasada ochrony przed zwarciem przy użyciu RTC

Rysunek 14: Przebiegi prądu zwarcia podczas działania RTC

Podczas wyłączania prądu zwarcia przy użyciu RTC można wyróżnić cztery tryby. W trybie ① główny prąd ID wzrasta, aż napięcie Vs na rezystancji shuntowej osiągnie określony poziom wyłączenia. Po osiągnięciu tego poziomu rozpoczyna się tryb ②: tranzystor T zostaje włączony, a napięcie bramka-źródło zostaje obniżone z +15V do około +7V, co skutkuje zmniejszeniem prądu nasycenia w stanie zwarcia. Dzięki temu redukcji prądu zwarcia, dozwolony czas trwania zwarcia ponownie wzrasta do dobrze znanego z układów IGBT tsc(max)=10μs. Oznacza to, że można zastosować konwencjonalne taktowanie sterownika IGBT. W fazie ③ tranzystor bramkowy Tron zostaje wyłączony, a VGS staje się zerem, powodując miękkie wyłączenie prądu zwarcia. W ostatniej fazie ④ tranzystor bramkowy Troff zostaje włączony, co powoduje zastosowanie ujemnego napięcia VGS do tranzystora SiC MOSFET w stanie wyłączonym.

Podsumowanie i perspektywy

Niniejszy artykuł opisuje nowy moduł pełno-SiC o prądzie 800A/1200V. Jego nazwa to FMF800DX-24A. W porównaniu z konwencjonalnymi modułami IGBT opartymi na Si potwierdzono następujące unikalne cechy:

• Rozmiar modułu zmniejszony o 50%
• Straty przełączania (Esw=Eon + Eoff + Err) zmniejszone o 75%
• Wiarygodna ochrona przed zwarciem przy użyciu RTC

Na podstawie tych cech, nowy moduł pełno-SiC 800A/1200V stanowi interesującą alternatywę dla konwencjonalnych modułów IGBT w systemach elektroniki mocy do kilkuset kilowatów, zwłaszcza jeśli jedna z następujących charakterystyk systemu ma szczególne znaczenie:

• Zwarta wielkość urządzenia/wysoka gęstość mocy
• Wysoka wydajność
• Wysoka częstotliwość przełączania (przekraczająca dzisiejsze limity osiągalne przez moduły IGBT)

Źródła

[1] Informacja prasowa nr 2687 "Mitsubishi Electric rozpoczyna dostarczanie próbek modułów mocy z krzemowym węglikiem" Tokio, 9 lipca 2012 r.
[2] Informacja prasowa nr 2733 "Mitsubishi Electric opracowuje technologie modułów mocy o dużych pojemnościach na bazie krzemowego węglika" Tokio, 14 lutego 2013 r.