Силовая электроника №3'2016

Силовые SiC-приборы в транспортных применениях

Касади Джеффри (Jeffrey B. Casady)


Перевод:
Карташев Евгений,Смирнов Валерий


Впервые SiC-компоненты были применены в источниках питания телекоммуникационного оборудования, светодиодах и преобразователях для индукционного нагрева. Спустя некоторое время карбидокремниевые ключи проникли в инверторы солнечных батарей, источники бесперебойного питания (UPS), приводы и в авиационную технику. Совсем недавно силовые SiC-приборы нашли свое применение в производстве автомобилей в качестве компонентов встроенных и внешних зарядных устройств, а также как компоненты источников питания в электрических (EV) и гибридных (HEVs) транспортных средствах.

Приборы на основе карбида кремния стали проникать на многие рынки, с тех пор как появились первые SiC-диоды в 2001 г. и SiC силовые модули в 2012 г. [14]. Теперь впервые SiC MOSFET транзисторы с напряжением 900 В рассматриваются в качестве силовых ключей для применения в инверторах электрической и гибридной трансмиссии, а также в повышающих преобразователях.

SiC-диоды

В трансмиссии современных электрических и гибридных автомобилей используются силовые полупроводники, имеющие диапазон рабочих напряжений 600-900 В. Технология SiC-диодов считается наиболее проверенной — спустя 13 лет после начала их выпуска на рынке представлены более 100 различных продуктов. Компания Cree производит более 70 типов диодов с номинальным напряжением 600-1700 В и током 1-50 А в различных корпусах: с выводами под сквозные отверстия, для поверхностного монтажа, а также в виде кристаллов. SiC-диоды на ряду с ней выпускают и другие производители.

Компания Cree поставляет разработанные ее специалистами SiC-диоды с напряжением 650 и 1200 В для распределенных встроенных и внешних зарядных устройств, используемых в коммерческих автомобильных приложениях. С помощью карбидо-кремниевых компонентов разработчики могут существенно повысить плотность мощности и снизить тепловыделение до уровня, недостижимого для кремниевых приборов. Такие SiC-диоды полностью сертифицированы для применения в автомобилях. Заказчики ценят не только их компактные габариты, низкое тепловыделение и более высокую эффективность, обеспечиваемую SiC-компонентами, но и высокую надежность, что важно для автомобильной промышленности. Более чем 13 лет опыта эксплуатации показали, что интенсивность отказов (FIT) SiC-диодов ниже, чем у кремниевых компонентов, например у диодов Cree менее одного отказа за миллиард часов.

SiC-MOSFET

Карбидокремниевые MOSEFT 12-го класса появились на рынке в 2011 г. Сейчас эти транзисторы используются в автомобильных источниках питания и зарядных устройствах, работающих от трехфазной сети. SiC-ключи с рабочим напряжением 650-900 В начали производиться в 2013-2014 гг. Сегодня они успешно применяются в тяговом приводе. В прошлом году компания Cree разработала 1200-вольтовый SiC MOSEFT-транзистор C2M0080120D, ориентированный на применение в силовых конвертерах HEV/EV-транспорта, например во вспомогательных источниках питания.

В устройстве, показанном на рис. 1, по заявлению его производителя — компании Shinry Technologies [5], удалось добиться уменьшения габаритов на 25% и снижения мощности потерь на 60%. Этот преобразователь спроектирован для установки в электрических и гибридных транспортных средствах с питанием от DC-шины на 750 В. Его выходное напряжение составляет 27 В. В схеме DC/DC-конвертера на основе SiC MOSEFT применен режим прямого преобразования с активным ограничением. Карбидокремниевая технология обеспечивает следующие преимущества: увеличение эффективности преобразования на 8896%, снижение габаритов на 25-60%, а также отказ от применения вентиляторов охлаждения, что позволяет уменьшить стоимость системы и снизить уровень звуковых шумов.

DC/DC-конвертер Shinry Technologies для HEV/EV-применений

Рис. 1. DC/DC-конвертер Shinry Technologies для HEV/EV-применений

Заменив кремниевые приборы на SiC MOSEFT 12-го класса в DC/DC-преобразователях мощностью 3-10 кВт, компания Shinry значительно повысила эффективность и уменьшила размеры и вес устройства. Получить такие показатели с применением Si-транзисторов было невозможно из-за худших характеристик переключения. Преимущества, представленные в данном примере, типичны для применения карбидокремниевых приборов в автомобилях, где они заменяют кремниевые. Использование SiC силовых ключей позволяет решить одну или даже несколько задач — снизить стоимость системы, повысить плотность мощности и эффективность, уменьшить габариты [67].

По этой причине 1200-вольтовые SiC MOSFET семейства C2M (выпускаемые в корпусе ТО-247 с током 25, 40, 80, 160 или 280 А, также в различных модульных исполнениях) широко применяются в бортовых и внешних зарядных устройствах HEV/EV, а также во вспомогательных источниках питания, производимых различными фирмами. Как и IGBT, транзисторы семейства C2M SiC MOSFET хорошо подходят для параллельного включения, что необходимо для наращивания мощности [8].

Кроме существенного повышения производительности, SiC MOSFET-транзисторы обладают и другими важными преимуществами. Например, если использовать встроенный (body) диод, то в определенных случаях можно будет отказаться от внешнего антипараллельного диода Шоттки. Но такой способностью не обладают кремниевые IGBT, а body-диоды не применяются в кремниевых MOSFET из-за плохих характеристик выключения. Интегральные диоды SiC MOSFET имеют минимальные потери выключения, что обеспечивает высокую эффективность системы. Они позволяют сократить расходы на комплектующие и повысить надежность конвертера благодаря снижению числа дополнительных компонентов, кристаллов и их соединений.

Испытания на надежность SiC MOSFET-транзисторов C2M080120D, проводимые при температуре 150 °C в течение 1000 ч (при напряжении на затворе -5 В, токе диода 10 А), показали, что поведение встроенного диода остается очень стабильным. В ходе тестов 39 образцов были выявлены незначительные изменения прямого напряжения (порядка 0,68 мВ) диодов и такие же низкие (порядка 4,5 мВ) колебания напряжения транзисторов в открытом состоянии [7]. SiC MOSFET также отличаются очень хорошей стабильностью параметров при высоких температурах.

На рис. 2 к транзистору C2M0160120D (1200В SiC MOSFET) приложено напряжение -15 В в течение 1000 ч при 150 °C, что превышает максимальное рекомендуемое значение, равное -10 В. Несмотря на это, испытания выявили только небольшое смещение (10 мВ) порогового напряжения Vth и незначительное изменение в 3,2 мОм сопротивления открытого канала RDSON [7].

Смещение -15 В, приложенное к транзистору Cree C2M0160120D (1200 В, SiC MOSFET) в течение 1000 ч при температуре 150 °C

Рис. 2. Смещение -15 В, приложенное к транзистору Cree C2M0160120D (1200 В, SiC MOSFET) в течение 1000 ч при температуре 150 °C, превышает максимальное рекомендуемое значение (-10 В). Испытания показали незначительное изменение среднего порогового напряжения (10 мВ) в ходе тестирования

Прорывные технологии SiC MOSFET с напряжением 900 В

Новая MOSFET-технология обеспечивает еще большую эффективность и лучшую управляемость затвора благодаря существенному снижению удельного сопротивления открытого канала, которое изменилось с 5 мОм/см2 у коммерческих SiC MOSFET 12-го класса (например, C2M0160120D) до 2-3 мОм/см2 у новых планарных карбидокремниевых транзисторов с рабочим напряжением 900 В [9]. В новейшей SiC-технологии используется базовая надежная планарная DMOS-структура, показанная на рис. 3. Это позволяет кардинально повысить производительность 900-вольтовых SiC-транзисторов вследствие снижения величины RDSON более чем на 40% по сравнению с лучшими из выпускаемых сегодня кремниевых MOSFET 12-го класса. Результатом является появление карбидо-кремниевых ключей с более низким рабочим напряжением, но с лучшими экономическими показателями и более высокой эффективностью переключения на высоких частотах. Применение таких SiC MOSFET-транзисторов дает возможность снизить общую стоимость автомобильных тяговых инверторов новых поколений.

Коммерчески реализованная планарная SiC-МОП структура с двойной имплантацией была представлена Cree в 2011 г.

Рис. 3. Коммерчески реализованная планарная SiC-МОП структура с двойной имплантацией была представлена Cree в 2011 г. Семейство транзисторов второго поколения (C2M) было выпущено в 2013 г. Каждое поколение имеет идентичную базовую структуру, но меньшее сопротивление открытого канала.

Сравнение SiC MOSFET и Si Super Junction MOSFET

Чтобы оценить производительность транзисторов, можно сравнить величину энергии, запасенной в выходной емкости (EOSS) нового 900-вольтового SiC MOSFET и усовершенствованного Super Junction Si MOSFET, имеющего рабочее напряжение 650 В и 900 В. Из рис. 4 видно, что величина EOSS транзистора Cree при температуре 150 °С примерно в три раза ниже, чем у Si SJ MOSFET при аналогичном сопротивлении канала RDSON. Характеристики EOSS карбидокремниевого транзистора и 650-вольтового Si SJ MOSFET соизмеримы (разница в 20-30%), но при этом у SiC MOSFET на 50% выше блокирующее напряжение, что обеспечивает большой запас надежности. Кроме того, в состав карбидокремниевой структуры входит рабочий встроенный диод.

Показатели транзисторов Cree SiC MOSFET (900 В) по сравнению с Si SJ MOSFET (650 и 900 В)

Рис. 4. Показатели EOSS и RDSON транзисторов Cree SiC MOSFET (900 В) по сравнению с Si SJ MOSFET (650 и 900 В). Новые транзисторы Cree имеют трехкратное преимущество перед 900-вольтовыми Si SJ MOSFET и соизмеримые характеристики с 650-вольтовыми Si SJ MOSFET

Еще одним достоинством новых карбидокремниевых транзисторов является меньший уровень потерь проводимости при высоких температурах по сравнению с Si-или GaN-приборами. На рис. 5 [9] приведено нормализованное значение RDSON 900-вольтового SiC MOSFET, 600-вольтового транзистора GaN и 600-вольтового Si SJ MOSFET при различных температурах. При Tj = 150 °С сопротивление открытого канала GaN-прибора почти в два раза (1,85) больше, чем у 900-вольтового SiC MOSFET, а величина RDSON транзистора Si SJ MOSFET 6-го класса при тех же условиях возрастает более чем в 2,5 раза.

Новейшие 900-вольтовые SiC MOSFET имеют лучшие температурные характеристики  по сравнению с 600-вольтовыми Si- и GaN-транзисторами

Рис. 5. Новейшие 900-вольтовые SiC MOSFET имеют лучшие температурные характеристики RDSON по сравнению с 600-вольтовыми Si- и GaN-транзисторами

Сравнение SiC MOSFET (900 В) и Si IGBT (650 В)

Динамические потери SiC-ключей (900 В, 65 мОм) и IGBT (600 В, 30 А) в одинаковых режимах работы (400 В, 150 °C и 10 А) различаются в 4 раза (60 и 260 мДж соответственно).

На ранней стади исследований очень сложно оценить, насколько может измениться удельная мощность и плотность мощности автомобильных тяговых преобразователей от внедрения в них новых 900-вольтовых SiC MOSFET-транзисторов. Однако первый опыт применения в других системах демонстрирует высокий потенциал по плотности мощности (свыше 20 кВт/л) и эффективности преобразования (пиковое значение 99%) [10]. Для устройств с напряжением питания 400-700 В применение новых SiC MOSFET-транзисторов Cree обеспечивает уровень технической и экономической эффективности, недостижимый при использовании 650-вольтовых кремниевых IGBT- или MOSFET-приборов. Такие основные преимущества SiC, как более высокое рабочее напряжение, меньшие потери проводимости и переключения, меньшее количество компонентов (в результате использования body-диодов) и повышенная надежность, теперь могут быть реализованы на системном уровне. В сочетании с другими карбидокремниевыми компонентами, такими как 650-вольтовые диоды и 1200-вольтовые SJ MOSFET, уже выпускаемыми в исполнениях для автомобилей, новый SiC MOSFET с напряжением 900 В готов к испытаниям в составе тягового преобразователя HEV/EV.

Литература

  1. Casady J. B. SiC Power Devicesand Modules Maturing Rapidly // Power Electronics Europe. 2013. Jan.-Feb.
  2. Liu J., Mookken J., Wong Kin Lap. Highly Efficient, and Compact ZVS Resonant Full Bridge Converter using 1200V SiC MOSFETs / Power Conversion Intelligent Motion (PCIM). Nuremberg. Germany. 2014. May.
  3. Liu J., Wong K. L. Silicon Carbide (SiC) 10 kW Interleaved Boost Converter Achieves 99,1% Peak Efficiency / Bodo's Power Systems. 2012. Dec.
  4. Mookken J., Agrawal B., Liu J. Efficient and Compact 50 kW Gen 2 SiC Device Based PV String Inverter / Power Conversion Intelligent Motion (PCIM). Nuremberg. Germany. 2014. May.
  5. Cree SiC MOSFETs Revolutionize Shinry Hybrid-Electric and Electric-Vehicle Power Converters, Achieving Industry-Leading 96-Percent Efficiency / Cree Press Release. 2013. Oct. st. 31.
  6. Doan D. Next-Generation Power SiC Devices for High Volume Applications / Applied Power Electronics Conf. (APEC) Industrial Session 2. Ft. Worth. TX. 2014. March. 20th.
  7. Casady J. B. Cree SiC MOSFET & Module Family Update / Applied Power Electronics Conf. (APEC) Vendor Forum Ft. Worth. TX. 2014. March 18th.
  8. Wang G., Mookken J., Rice J., Schupbach M. Dynamic and Static Behavior of Packaged Silicon Carbide MOSFETs in Paralleled Applications / Applied Power Electronics Conf. (APEC), Ft. Worth. TX. 2014. March 20th.
  9. Silicon Carbide Power MOSFETs: Breakthrough Performance from 900 V up to 15 kV / J. W. Palmour, L. Cheng, V. Pala, D. J. Lichtenwalner, E. V. Brunt, G.-Y. Wang, J. Richmond, M. O. Loughlin, S. T. Allen, A. A. Burk, C. Scozzie / International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs. 2014. June 15th-19th.
  10. 40 kW/L High Switching Frequency Three-Phase 400 Vac All-SiC Inverter / K. Sasaki, S. Sato, K. Matsui, Y. Murakami, S. Tanimoto, H. Tanisawa / Materials Science Forum Vols. 2013. Trans Tech Publications. Switzerland.


 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо