Ku lepszej przyszłości: Wysoce wydajne urządzenia mocy SiC do szerokiego zakresu zastosowań

Ku lepszej przyszłości: Wysoce wydajne urządzenia mocy SiC do szerokiego zakresu zastosowań

W różnych zastosowaniach dzisiaj stosuje się urządzenia SiC, aby osiągnąć wysoką wydajność i kompaktowe przekształtniki. Zakres zastosowań obejmuje wszystkie klasy mocy, od klimatyzatorów, przez ładowarki do akumulatorów, napędy przemysłowe, aż po napęd kolejowy. W tym artykule omówione są wymagania różnych zastosowań, prezentowane są urządzenia mocy SiC firmy MITSUBISHI ELECTRIC dostępne w różnych napięciach i klasach mocy oraz przedstawione są najnowsze osiągnięcia w dziedzinie tej technologii.

Autorzy: René Spenke, Mitsubishi Electric Europe B.V., Ratingen, Niemcy; Nils Soltau, Mitsubishi Electric Europe B.V., Ratingen, Niemcy; Toru Matsuoka, Mitsubishi Electric Corporation, Fukuoka, Japonia.

Wprowadzenie

Redukcja dwutlenku węgla i odpowiedzialne wykorzystanie energii elektrycznej to główne czynniki napędzające rozwój bardziej zrównoważonego społeczeństwa w przyszłości. Węglik krzemu (SiC) dzięki swoim doskonałym właściwościom fizycznym może przyczynić się do oszczędzania jeszcze większej ilości energii elektrycznej i sprawić, że przekształtniki elektroniczne mocy będą bardziej kompaktowe, co zmniejszy zużycie cennych materiałów i zasobów.

Główna różnica między półprzewodnikami SiC a klasycznym krzemem to wyższa przerwa w pasmach. Pozwala to na 10-krotnie wyższą wytrzymałość pola krytycznego w materiale SiC. W konsekwencji, dla tej samej zdolności blokowania napięcia, układy SiC mogą być wykonane cieńsze. W rezultacie zmniejsza się opór elektryczny i straty mocy.

Ponadto, dzięki wyższej przerwie w pasmach, można produkować tranzystory MOSFET SiC lub diody Schottky SiC nawet dla wyższych napięć blokujących (np. 3300 V lub 6500 V). Dzięki wysokiej prędkości przełączania, te jednopolowe urządzenia mają niskie straty przełączania i umożliwiają wysokie częstotliwości przełączania. W wielu zastosowaniach wyższe częstotliwości przełączania zwiększają gęstość mocy innych komponentów systemu, takich jak filtry, transformatory czy silniki. Przekształtnik elektroniczny mocy staje się wówczas bardziej kompaktowy, co pozwala zaoszczędzić materiały i związane z nimi koszty.

Odkąd w latach 90. Mitsubishi Electric zdobyło szerokie doświadczenie w produkcji i stosowaniu urządzeń SiC oraz modułów mocy SiC. Półprzewodniki SiC przeszły już etap technologicznego szumu i produkty SiC firmy Mitsubishi Electric są powszechnie dostępne. Dziś produkty SiC stosuje się w różnych zastosowaniach: od ładowarek do pojazdów elektrycznych, przez klimatyzatory, zasilacze UPS, napędy przemysłowe, aż po napędy trakcyjne kolejowe. Różne zastosowania stawiają różne wymagania wobec urządzeń SiC. W tym artykule przedstawiono różnorodność tych wymagań i odpowiednie rozwiązania SiC.

Rdzeń naszych urządzeń SiC: Nowa generacja układów SiC

Najnowsze urządzenia SiC firmy Mitsubishi Electric wykorzystują drugą generację układów SiC. Układy te są produkowane na nowej linii podłoża SiC o średnicy 6 cali. Jak pokazano na Rysunku 1, druga generacja ma ulepszoną strukturę planarnej struktury MOSFET. Specjalny profil domieszkowania JFET umożliwia poprawę konkretnego oporu elektrycznego R_on,sp i jednoczesne zmniejszenie szerokości komórki MOSFET, co pokazano na Rysunku 2. Doskonały opór elektryczny tej ulepszonej technologii planarnej struktury MOSFET jest znacznie bardziej konkurencyjny w porównaniu z innymi strukturami bramkowymi typu trench, co przedstawia Rysunek 3.

Rysunek 1: Struktura układu SiC MOSFET drugiej generacji

Rysunek 2: Unikalne domieszkowanie JFET poprawia R_on,sp

Rysunek 3: Porównanie między różnymi technologiami SiC MOSFET o strukturach planarnej i bramkowej typu trench

Ponadto, domieszkowanie tranzystorów JFET obniża pojemność zwrotną Crss. Pojemność ta wpływa na prędkość przełączania urządzenia SiC. Mniejsza wartość Crss pozwala na wyższe prędkości przełączania i poprawia odporność na pasożytnicze włączanie się, jak dalsze wyjaśnienie przedstawione poniżej.

Zintegrowane moduły mocy SiC DIPIPM zwiększające wydajność klimatyzatorów

Dla przemienników niższej mocy, Mitsubishi Electric wprowadziło urządzenia mocy SiC DIPIPM o zdolności blokowania napięcia 600 V i dwóch różnych prądach znamionowych: 15 A i 25 A. Klasa inteligentnych modułów mocy zawiera odpowiednie komponenty, takie jak sześć przełączników i układy sterownika bramkowego do budowy kompaktowych przemienników (patrz Rysunek 9). Inteligencją tych produktów są zintegrowane funkcje ochronne, takie jak ochrona przed zwarciami, ochrona przed napięciem zbyt niskim lub ochrona przed przegrzaniem. Jak pokazano na Rysunku 8, moduły są wytwarzane przy użyciu technologii formowania transferowego, co pozwala na wysoką wydajność i odporność na działanie agresywnych środowisk. Zwłaszcza aplikacje pracujące prawie 24 godziny na dobę, takie jak klimatyzatory lub pompy, mogą korzystać z zwiększenia wydajności poprzez zastosowanie technologii SiC. Rysunek 10 przedstawia porównanie do konwencjonalnych układów na bazie krzemu i jak 70% strat mocy przemiennika można zaoszczędzić w określonych warunkach pracy.

Rysunek 6: Struktura diody z barierą bramkową firmy Mitsubishi Electric

Rysunek 7: Porównanie diod (V_F vs. I_FSM)

Moduły mocy SiC do zasilaczy awaryjnych, szybkich ładowarek i wydajnego wprowadzania energii odnawialnej

Aplikacje takie jak zasilacze awaryjne, szybkie ładowarki czy wprowadzanie energii odnawialnej zazwyczaj wymagają znacznie wyższych prądów niż omawiane wcześniej. Dlatego Mitsubishi Electric opracowało moduły mocy SiC, które wykorzystują technologię drugiej generacji [5]. Te moduły oferują korzyści wynikające z technologii SiC dla aplikacji przemysłowych, które wymagają dużych prądów, przekraczających zdolność dyskretnych urządzeń. Dostępne są klasy napięcia 1200 V i 1700 V oraz szeroki wybór prądów znamionowych do 1200 A. Jak pokazano na Rysunku 11, moduły drugiej generacji są zgodne z pakietami pierwszej generacji, co umożliwia klientom łatwiejsze projektowanie oparte na istniejących rozwiązaniach.

Rysunek 8: Super Mini Full SiC DIPIPM

Rysunek 9: Blokowy diagram wewnętrzny modułu SiC DIPIPM

Ważne cechy:

Z wymiarem 122 x 79,6 mm², moduły mają taką samą powierzchnię, jak moduły mocy serii NX firmy Mitsubishi Electric. Jednakże w celu znacznej redukcji indukcyjności pętli parazytowych pakietu, złącza zostały ponownie rozmieszczone, co umożliwia lepsze wykorzystanie korzyści technologii SiC. Ponadto, zaprojektowano płytę podstawową oraz rozmieszczenie układów SiC-MOSFET i SiC-SBD w celu poprawy rozpraszania ciepła wewnątrz pakietu.

Rysunek 10: Porównanie wydajności SiC DIPIPM (Vcc=300V, VD=18V(SiC) /15V(Si), fc=15kHz, PF=0.95, M=0.8, Io=1.5Arms,Tj=125°)

Rysunek 11: Gama modułów mocy SiC dla zastosowań przemysłowych

Rysunek 12: Skuteczne wykrywanie zwarcia dzięki funkcji RTC

Rysunek 13: Moduł mocy SiC 3,3 kV w opakowaniu LV100 z izolacją o napięciu 6 kV

Rysunek 14: Gam serii modułów mocy SiC i Si o napięciu 3,3 kV w opakowaniu LV100

Rysunek 15: Porównanie przebiegów włączania między krzemem (Si), hybrydowym SiC a pełnym SiC (V_cc = 1800 V, I_C = 600A, T_j = 150 °C, L_s = 65 nH)

Druga generacja technologii domieszkowania JFET opisana wcześniej oferuje najniższe straty ogólne. W porównaniu z pierwszą generacją, zarówno straty prowadzenia, jak i przełączania zostały dalsze zredukowane [6].

Funkcja kontroli czasu rzeczywistego (RTC) firmy Mitsubishi Electric ułatwia projektowanie ochrony przed zwarciem. Projektowanie ochrony przed zwarciem stanowi wyzwanie podczas zmiany z IGBT na tranzystory MOSFET SiC, ponieważ metody takie jak wykrywanie dezaturacji nie mogą być zastosowane w ten sam sposób. Aby pokonać te ograniczenia, funkcja RTC wykrywa zwarcię za pomocą czujników prądu zintegrowanych w tranzystorach MOSFET. Po wykryciu zwarcia napięcie bramki jest automatycznie zmniejszane, aby ograniczyć prąd i zwiększyć czas wytrzymywania zwarcia. To daje wystarczająco dużo czasu na zareagowanie obwodu sterującego na sygnał o zwarcie z funkcji RTC.

Moduły SiC o wysokim napięciu do zastosowań w kolejnictwie i sieciach

W przypadku działania pociągu kogeneracyjnego moduły mocy SiC pozwalają na bardziej efektywny i bardziej zwarty system trakcyjny. Przykładowo moduły mocy SiC umożliwiły oszczędność masy o 20% w układzie napędowym pociągu Shinkansen, co doprowadziło do bardziej elastycznego projektu wagonu kolejowego. Objętość samego przekształtnika trakcyjnego zmniejszyła się o 50%, co było możliwe dzięki niższym stratom urządzeń SiC, co spowodowało uproszczenie systemu chłodzenia [7].

Oprócz przekształtników trakcyjnych, przetwornice pomocnicze, ładowarki baterii kolejowych i przetwornice dc-dc szczególnie korzystają ze zwiększenia częstotliwości przełączania umożliwionego przez moduły mocy SiC. Rosnąca częstotliwość przełączania zazwyczaj pozwala na zmniejszenie rozmiaru elementów pasywnych (takich jak transformatory, cewki czy kondensatory). Ponadto, wyższa częstotliwość przełączania może umożliwić użycie innych materiałów magnetycznych o miękkim rdzeniu. Daje to potencjał wzrostu wydajności i obniżenia kosztów [8] [9].

Wraz z rosnącym napięciem i mocą, aplikacje kolejowe i sieciowe wymagają najlepszej wydajności i najwyższej niezawodności. Mitsubishi Electric oferuje komercyjne moduły SiC o wysokiej mocy dla napięć do 3,3 kV do zastosowań o wysokiej niezawodności. Już w 2015 roku Mitsubishi Electric zastosował półprzewodnikowe moduły 3,3 kV Full-SiC w pociągach kogeneracyjnych o dużych prędkościach [10]. Wytrzymałość tych urządzeń została więc zademonstrowana w warunkach rzeczywistych przez kilka lat działania w terenie.

Rysunek 16: Struktura konwencjonalnego tranzystora MOSFET i tranzystora z zintegrowanym SBD [12]

Rysunek 17: 6,5 kV moduł mocy Full-SiC w obudowie HV100 z napięciem izolacji 10,2 kV

Mitsubishi Electric oferuje swoje moduły mocy SiC o napięciu 3,3 kV w obudowie LV100, jak przedstawiono na Rysunku 13. Jak pokazano na Rysunku 14, dostępne są dwa różne produkty Full-SiC o prądach znamionowych 375 A i 750 A.

Oprócz modułów mocy Full-SiC, Mitsubishi Electric oferuje również moduły Hybrid-SiC. W tej samej obudowie LV100 dostępny jest moduł Hybrid-SiC o prądzie 600 A i napięciu 3,3 kV. Urządzenie to łączy w sobie wysokonapięciowy IGBT krzemowy z najnowszej generacji X-Series z diodą SiC. W porównaniu z diodą krzemową, dioda SiC jest pozbawiona odzysku wstecznego. Dlatego straty przełączania w diodzie są znacznie mniejsze. Ponadto straty w IGBT są również zmniejszone ze względu na brak prądu odzysku wstecznego. Jak pokazano na Rysunku 15, straty związane z włączeniem IGBT są o 38% niższe. Oznacza to, że hybrydowy moduł mocy SiC jest idealnym kandydatem dla stosunkowo wysokich częstotliwości przełączania (np. w okolicach 2 kHz). Jeśli wymagana jest wyższa częstotliwość przełączania i mniejsze straty, idealnym wyborem są moduły mocy Full-SiC.

Rysunek 18: Porównanie strat przełączania między IGBT Si przy 150°C, tranzystorem MOSFET SiC i tranzystorem MOSFET SiC z zintegrowanym SBD przy 175°C [13]

Ponad istniejącymi produktami SiC, Mitsubishi Electric nadal rozwija technologię SiC, aby stać się jeszcze bardziej konkurencyjnym w przyszłości. Jednym z tematów badawczych związanych z integracją diody SBD SiC w strukturę tranzystora MOSFET. Ogólnie dioda SBD jest wymagana, aby uniknąć przepływu prądu bipolarowego przez diodę ciała tranzystora MOSFET. Dzięki temu efekty degradacji, takie jak wady układania, są tłumione. W dzisiejszych modułach mocy SiC diody SBD są połączone równolegle z czipami MOSFET. W przyszłości struktura SBD zostanie zintegrowana z czipem MOSFET, jak pokazano na Rysunku 16. Dodatkowe korzyści, poza uniknięciem wad układania, to mniejsze straty przełączania i brak dedykowanych czipów diodowych [11] [12].

Technologia osadzania diody SBD jest również wykorzystywana w prototypie 6,5 kV Full-SiC [13]. Ten prototyp wykorzystuje obudowę HV100, jak pokazano na Rysunku 17, i jest oznaczony prądem 400 A. Jak pokazano na Rysunku 18, straty przełączania tego urządzenia są mniejsze niż 1/10 w porównaniu z IGBT Si. Daje to 6,5 kV urządzeniom SiC ogromny potencjał do zastosowań o wysokiej częstotliwości przełączania.

Wnioski

W artykule tym pokazano, że dzisiaj wiele aplikacji korzysta z zalet urządzeń SiC, co prowadzi do bardziej wydajnych i bardziej zwartych przekształtników mocy. Wszystkie te różne aplikacje stawiają różne wymagania wobec urządzeń SiC. Pokazano, że Mitsubishi Electric oferuje specjalne produkty SiC dla prawie każdej aplikacji.

Podziękowania

Ta praca została wsparta przez New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO).

Źródła:

[1] Mitsubishi Electric Press Release No. 3361, Mitsubishi Electric to Launch N-series 1200 V SiC-MOSFET, Japan, 2020.
[2] Mitsubishi Electric , „Reduce Space and Increase Efficiency with the N-Series 1200V SiC-MOSFET,“ Bodo's Power System, p. 14, September 2020.
[3] Mitsubishi Electric Press Release No. 3382, Mitsubishi Electric to Launch 4-terminal N-series 1200V SiC-MOSFETs, Japan, 2020.
[4] Mitsubishi Electric Press Release No. 3272, Mitsubishi Electric to Launch 1200V SiC Schottky Barrier Diode, Japan, 2019.
[5] Mitsubishi Electric Press Release No. 3372, Mitsubishi Electric to Launch Second-generation Full-SiC Power Modules for Industrial Use, Japan, 2020.
[6] N. Soltau, E. Thal und T. Matsuoka, „The Next Generation of SiC Power Modules,“ Bodo's Power Systems, pp. 22-26, September 2019.
[7] K. Sato, H. Kato und T. Fukushima, „Development of SiC Applied Traction System for Shinkansen High-speed Train,“ in International Power Electronics Conference (IPEC-Niigata 2018 -ECCE Asia), Niigata, 2018.
[8] M. Helsper und M. Ocklenburg, „SiC MOSFET Based Auxiliary Power Supply for Rail Vehicles,“ in 20th European Conference on Power Electronics and Applications (EPE'18 ECCE Europe), Riga, 2018.
[9] D. Wu, C. Xiao, H. Zhang und W. Liang, „Development of auxiliary converter based on 1700V/325A full SiC MOSFET for urban rail transit vehicles,“ in IEEE Transportation Electrification Conference and Expo, Asia-Pacific (ITEC Asia-Pacific), Harbin, 2017.
[10] Mitsubishi Electric Press Release No. 2942, Mitsubishi Electric Installs Railcar Traction System with All-SiC Power Modules on Shinkasen Bullet Train, Japan, 2015.
[11] T. Tominaga, S. Hino, Y. Mitsui, J. Nakashima, K. Kawahara, S. Tomohisa und N. Miura, „Superior Switching Characteristics of SiCMOSFET Embedding SBD,“ in 31st International Symposium on Power Semiconductor Devices & ICs, Shanghai, China, 2019.
[12] T. Murakami, K. Sadamatsu, M. Imaizumi, E. Suekawa und S. Hino, „Comparative study of electrical characteristics between conventional and SBD-embedded MOSFETs for next generation 3.3kV SiC modules,“ in International Exhibition and Conference for Power Electronics, Intelligent Motion, Renewable Energy and Energy Management (PCIM), Germany, 2020.
[13] J. Nakashima und e. al., „6.5-kV Full-SiC Power Module (HV100) with SBD-embedded SiC-MOSFETs,“ in International Exhibition and Conference for Power Electronics, Intelligent Motion, Renewable Energy and Energy Management (PCIM Europe), Germany, 2018.