Вы за SiC или кремний?
Часть 5. SiC-транзисторы сверхвысокого рабочего напряжения и суперкаскоды

№ 5’2020
PDF версия
Это пятая публикация, продолжающая цикл из шести статей, в которых рассматриваются текущие тенденции и особенности применения полупроводниковых приборов на основе карбида кремния (SiC). В предыдущей части цикла описаны перспективы и преимущества использования карбид-кремниевых транзисторов в узлах современного электрического транспортного средства. Теперь речь пойдет о суперкаскодных SiC-транзисторах, рассчитанных на сверхвысокое рабочее напряжение, и о тех преимуществах, которые дает им карбид-кремниевая технология. Предыдущие части цикла в авторском переводе с рядом поясняющих дополнений доступны по ссылкам (впервые цикл опубликован в Power Systems Design и доступен по ссылке: www.powersystemsdesign.com/articles/are-you-sic-of-silicon-part-1/22/14274).

Все статьи цикла.

В настоящее время появляются новые приложения, для которых требуется применение ключей, способных работать при высоких коммутируемых напряжениях. Их использование приведет к снижению себестоимости и общей совокупности компонентов, необходимых, например, для преобразования выходной мощности модуля фотоэлектрических элементов в полезную электрическую энергию и повышения эффективности (здесь мы в большей степени имеем в виду КПД) тяговых инверторов электромобилей. Это происходит за счет меньших общих потерь по сравнению с биполярными транзисторами с изолированным затвором IGBT (Insulated-gate bipolar transistor) и тиристорами с интегрированным драйвером IGCT (Integrated Gate-Commutated Thyristor, разработаны совместно компаниями Mitsubishi и ABB), выполненными по кремниевым технологиям.

Область применения высоковольтных полупроводниковых коммутирующих приборов охватывает широкий спектр приложений — от полупроводниковых преобразователей (своеобразных трансформаторов) мегаваттной мощности до интеллектуальных энергосистем FACTS (Flexible AC Transmission Systems — гибкие системы передачи электроэнергии переменным током) и STATCOM (Static synchronous compensator — статический синхронный компенсатор, также известный как статический синхронный конденсатор, является регулирующим устройством, используемым в сетях передачи электроэнергии переменного тока). Кроме указанного, такие полупроводниковые приборы найдут широкое применение и в качестве коммутаторов в инверторах, работающих с высоковольтными шинами постоянного тока, а значит, и с меньшими потерями и меньшим тепловыделением.

Хорошим выбором для того, чтобы уже в ближайшем будущем успешно решить проблемы этих приложений, являются SiC МОП-транзисторы. В этом направлении компания UnitedSiC предлагает уникальный подход, который способствует быстрейшему внедрению высоковольтных коммутаторов на основе полупроводников с широкой запрещенной зоной и называется Supercascode. В рамках данной статьи мы сравним этот подход с традиционным и рассмотрим его характеристики, чтобы показать, что может быть достигнуто в МОП-транзисторах с помощью кремниевой технологии (Si) и технологии Supercascode на основе карбида кремния (SiC).

 

Устройства и модули на основе карбида кремния

За последнее десятилетие в разработке и изготовлении высоковольтных SiC-устройств был достигнут большой прогресс. Теоретически SiC-устройства могут быть разработаны так, чтобы достичь как минимум 10-кратного максимального номинального напряжения (под этим термином здесь и далее мы понимаем блокирующее напряжение), которое могут обеспечить кремниевые устройства. И не случайно на разных выставках и конференциях уже были продемонстрированы одиночные SiC МОП-транзисторы с рабочими напряжениями до 15 кВ и даже SiC IGBT с напряжением до 27 кВ. Что касается МОП-транзисторов с диапазоном рабочего напряжения в пределах 6,5–10 кВ, то в настоящее время они уже становятся модульными продуктами. Также было наглядно продемонстрировано, что SiC МОП-транзисторы по сравнению с кремниевыми IGBT на напряжениях выше 3,3 кВ обеспечивают и значительное снижение потерь.

Уже сейчас для SiC IGBT с рабочими напряжениями в пределах 10–25 кВ исследуется период жизни носителей заряда, а также технологии, обеспечивающие рост сверхтолстых эпитаксиальных слоев, решаются проблемы надежности устройств и оптимизации их характеристик. Можно с уверенностью сказать, что эти устройства станут широкодоступными уже в ближайшие 5–10 лет, и здесь кто опоздал — тот проиграл, а победитель, как гласит английская поговорка, получает все (The winner takes the all).

В диапазоне рабочих напряжений 1,2 кВ и выше основными структурами устройств, которые сегодня используются и разрабатываются, являются планарный МОП-транзистор и МОП-транзистор со встроенным диодом, основанным на комбинации структур типа p-i-n-диода и диода Шоттки (merged-PiN-Schottky, MPS), как показано на рис. 1.

Структура планарного диффузного МОП-транзистора (а), планарного диффузного МОП-транзистора с интегрированным диодом Шоттки с совмещенными p-n-переходами (MPS) (б), разрабатываемого для приложений на основе SiC с более высоким рабочим напряжением, и схемное представление нормально выключенного каскодного транзистора (в). Для достижения желаемого номинального тока в модуле такие единичные устройства должны быть подключены параллельно, при этом каждый транзисторный чип переключает полное напряжение шины

Рис. 1. Структура планарного диффузного МОП-транзистора (а), планарного диффузного МОП-транзистора с интегрированным диодом Шоттки с совмещенными p-n-переходами (MPS) (б), разрабатываемого для приложений на основе SiC с более высоким рабочим напряжением, и схемное представление нормально выключенного каскодного транзистора (в). Для достижения желаемого номинального тока в модуле такие единичные устройства должны быть подключены параллельно, при этом каждый транзисторный чип переключает полное напряжение шины

Такое решение устраняет необходимость в дополнительных SiC-диодах Шоттки в модуле, предоставляя больше места для МОП-структур и повышая доступные значения рабочего тока, поскольку увеличение размера чипа для добавления области Шоттки в каждую ячейку является весьма скромным. Однако из-за высокого номинального тока, необходимого для целевых применений, требуются относительно большие устройства с активными областями на уровне 0,5–1 см2, которые трудно изготовить при приемлемом проценте брака от общего выхода готовой продукции.

Одна из ключевых проблем с высоковольтными устройствами состоит в том, что более толстые эпитаксиальные слои приводят к большему количеству дефектов в начальных эпитаксиальных пластинах. Эти более толстые и более слаболегированные слои имеют более широкие вариации легирования, поскольку становится все труднее поддерживать строгий контроль легирования, так как уровни легирования достигают значений 1014 см–3. С увеличением толщины легированного слоя также увеличивается и стоимость используемых во время эпитаксии расходных материалов. Благодаря современному состоянию техники удалось достичь достаточно высокого качества для эпитаксиальных слоев 30 мкм и получить транзисторы с рабочим напряжением до 3,3 кВ. А в ближайшие несколько лет предполагается улучшить слои для устройств с рабочими напряжениями в диапазоне 6,5–10 кВ (50–90 мкм), чтобы добиться заданного качества производства. Эпитаксиальные слои для номиналов 1,7 кВ и ниже уже доступны с очень высоким качеством и плотным распределением параметров на 6-дюймовых подложках структуры 4H-SiC [3].

Кроме решения проблем, скажем так, на кристалле, нельзя забывать и о проблемах, возникающих при его корпусировании. При корпусировании переключающих устройств сверхвысокого напряжения возникает много интересных проблем. Когда один такой ключ работает от шины напряжением 5 кВ и выключается за 25 нс, мы получаем dV/dt, равное ни много ни мало 200 В/нс. Паразитная емкость С, равная лишь 10 пФ (например, от стока транзистора и до его основания или через изолирующий барьер цепи затвора), будет соответственно вызывать ток смещения 2 А (C×dV/dt) на один чип. Поскольку модули высокой мощности имеют тенденцию содержать по 10–20 чипов, включенных параллельно, эта проблема может оказаться довольно серьезной. Указанные паразитные токи приводят к дополнительным потерям и могут вызывать значительные трудности с неправильным срабатыванием электроники драйвера низковольтного затвора. Чрезмерный ток смещения может также привести к деградации (из-за такого крайне неприятного эффекта, как частичные разряды [6, 7]) изоляции не только внутри модулей, но и во внешних кабелях и цепях.

В устройствах с номинальным напряжением 10 кВ такое напряжение подается через терминал сечением 1 мм2, что требует очень пристального внимания к герметизации и чистоте во время изготовления модуля. Это необходимо для того, чтобы избежать воздушных карманов, уже упомянутых эффектов в виде частичного разряда и любых разрушающих электрических потенциалов, способных привести к пробою изоляции вблизи терминала от шин и соединительных проводов. К тому же необходимы толстые керамики, чтобы изолировать ключи от основания, а это приводит к увеличению теплового сопротивления. Например, для использования одного терминала по технологии прямо присоединенной меди (Direct Copper Bonding, DCB — технология получения толстых (127–500 мкм) медных проводников на керамических подложках) для устройств на 15 кВ потребуется более 1 мм толщины керамики из нитрида алюминия (AlN-керамики). Соответственно, распределение проводников на керамике должно быть хорошо продуманным с точки зрения минимизации частичного разряда и исключения вероятности катастрофического закорачивания цепи от чипа транзистора в модуле до его основания.

 

Supercascode. Что это и почему это?

Компания UnitedSiC разработала уникальный подход к созданию высоковольтных SiC-устройств с использованием концепции суперкаскодного транзистора — Supercascode (здесь и далее), базирующейся на последовательном соединении нескольких относительно низковольтных SiC-устройств, работающих от одного драйвера затвора (основа этой технологии была рассмотрена нами ранее в [2, 3]). Подробнее остановимся на фундаментальной логике этого подхода. В таблице 1 показано удельное сопротивление открытого канала SiC JFET (JFET — Junction Field-Effect Transistor, полевой транзистор с управляющим p-n-переходом) с площадью кристалла в 1 см2 RDSA в зависимости от номинального напряжения пробоя.

Таблица 1. Удельное сопротивление SiC JFET с рабочими напряжениями 1700 В — 10 кВ

Рабочее напряжение, В

RdsA, мОм/см2

1700

3

3300

12

6500

50

10000

120

Примечание: обратите внимание, что четыре последовательных чипа площадью 1 см2 будут иметь такое же сопротивление, как четыре параллельных чипа на 6,5 кВ. Это и есть основная логика подхода технологии Supercascode.

Теперь рассмотрим пример попытки построить модуль с рабочим напряжением 6500 В и сопротивлением канала 12,5 мОм, используя устройства на 6500 В, включенные параллельно. Для этого потребуется четыре чипа площадью 1 см2, которые будут подсоединены параллельно. В качестве альтернативы мы могли бы добиться того же сопротивления, использовав четыре чипа, рассчитанных на рабочее напряжение 1700 В, с тем же размером 1 см2, но с сопротивлением канала 3 мОм, только включив их уже не параллельно, а последовательно (3 × 4 = 12 мОм). Таким образом, в последовательном решении, по существу, используется то же количество полевых SiC-транзисторов, но эти устройства с более низким рабочим напряжением, и, очевидно, они дешевле по стоимости и их легче изготавливать с более высоким током и с меньшим технологическим разбросом характеристик и браком при изготовлении.

Эту же концепцию можно применить к SiC МОП-транзисторам, но в таком случае каждому низковольтному транзистору в модуле потребуется собственный синхронизированный драйвер затвора, что, естественно, добавляет сложности. При использовании метода Supercascode единственный низковольтный полевой МОП-транзистор в нижней части последовательной цепи управляет всем последовательным переключателем [2]. При этом требования по заряду затвора для метода Supercascode становятся намного ниже, чем необходимость управлять параллельными или даже последовательно соединенными высоковольтными МОП-транзисторами. В таблице 2 из [8] сравниваются характеристики, ожидаемые от модулей Supercascode, с эквивалентными модулями, изготовленными с помощью параллельного соединения SiC МОП-транзисторов.

Таблица 2. Сравнение модуля Supercascode с модулем SiC MOSFET со встроенными диодами Шоттки

Вариант исполнения модуля

SiC МОП-транзисторы

SiC каскодный стек

Supercascode

Технология SiC-чипа

Кристалл

6,5 кВ
 МОП-транзистор

6,5 кВ JFET

1,7 кВ JFET

RDSA

63 мОм/см2

3 мОм/см2

Размер кристалла

8,33×8,33 мм

7,7×7,7 мм

Макс., Ron кристалла при +25 °C

160 мОм

5,5 мОм

Полумостовой модуль

Макс., Ron при +25 °C

20 мОм

Конфигурация

8 чипов
в параллель

8 чипов
в параллель

5 JFET последовательно (каждый содержит два кристалла в параллель)

Общее число транзисторов

16

20

Общая площадь SiC

1110 мм2

1186 мм2

Планируемая себестоимость на модуль
(150 мм заготовка, ~ 70% выход годных)

$20/A

$11/A

Производительность модуля

Типовое VTH при +150 °C

2,0 В

3,7 В

Режим управления

–5 В/+20 В

0 В/12 В

Заряд затвора

Qgs

400 нКл

120 нКл

30 нКл

Общий Qg

2360 нКл

400 нКл

100 нКл

Антипараллельный диод

Встроенный

Высокий Qrr

Низкий Qc

Точка изгиба ВАХ: > 2 В

Точка изгиба ВАХ: 0,7 В

Примечание: ВАХ — вольт-амперная характеристика; VTH — пороговое напряжение включения; Qrr — заряд обратного восстановления.

Обратите внимание:

  • из-за использования более дешевых устройств SiC 1700 В стоимость модуля получается в два раза ниже;
  • гораздо лучше заряд затвора и Qc-диода.

Хотя компанией UnitedSiC было разработано много реализаций для Supercascode, обратим внимание на две схемы, показанные на рис. 2, при этом особо отметим, что для такого модуля вполне естественно требуется схема пассивной балансировки, встроенная в модуль так, как показано на рис. 3.

Два схемных подхода к реализации структуры Supercascode, разработанных компанией UnitedSiC. Вторая схема (б) с равными конденсаторами для каждой ступени была использована в выключателях, работающих при напряжениях до 40 кВ

Рис. 2. Два схемных подхода к реализации структуры Supercascode, разработанных компанией UnitedSiC. Вторая схема (б) с равными конденсаторами для каждой ступени была использована в выключателях, работающих при напряжениях до 40 кВ

Внутренняя структура разрабатываемого Supercascode-модуля на ток 200 А и рабочее напряжение 6500 В. SiC JFET-чипы для эффективного отвода размещаются на DBC-подложках. Вспомогательные и необходимые добавочные компоненты находятся на печатной плате, расположенной сверху, так как они не генерируют слишком много тепла

Рис. 3. Внутренняя структура разрабатываемого Supercascode-модуля на ток 200 А и рабочее напряжение 6500 В. SiC JFET-чипы для эффективного отвода размещаются на DBC-подложках. Вспомогательные и необходимые добавочные компоненты находятся на печатной плате, расположенной сверху, так как они не генерируют слишком много тепла

Поскольку в генерации тепла преобладает вклад SiC JFET, соответственно, эти чипы для эффективного отвода размещаются на DBC-подложках. Другие необходимые добавочные компоненты находятся на печатной плате, расположенной сверху. На рис. 4 показаны электрические характеристики такого Supercascode-модуля, разрабатываемого в компании UnitedSiC. Устройство работает при требуемом напряжении, сопротивление при включении составляет 20 мОм (+25 °C), и SiC-диоды Шоттки здесь не понадобятся, поскольку напряжение изгиба ВАХ в третьем квадранте составляет всего 0,7 В, что выгодно отличает SiC JFET- от Si МОП-транзистора, кроме того, последовательное сопротивление JFET составляет всего 19 мОм. Заряд обратного восстановления диода, Qrr, является довольно низким, всего 14 нКл, и не зависит от температуры. Характеристики переключения в полумостовой конфигурации при токе 220 A и напряжении 3600 В показывают очень низкие значения затрат энергии на включение (Eon = 155 мДж) и выключение (Eoff = 28,8 мДж).

Электрические характеристики прототипа Supercascode-модуля 200 А/6500 В. Полумостовой модуль имеет очень низкие потери проводимости и коммутационные потери, а характеристики восстановления Supercascode приводят к очень низкому значению заряда обратного восстановления Qrr

Рис. 4. Электрические характеристики прототипа Supercascode-модуля 200 А/6500 В. Полумостовой модуль имеет очень низкие потери проводимости и коммутационные потери, а характеристики восстановления Supercascode приводят к очень низкому значению заряда обратного восстановления Qrr

Потери мощности для рассматриваемого решения, как это показано в таблице 3, значительно ниже, чем у аналогичного по рейтингу IGBT типа FZ250R65KE3 компании Infineon Technologies [9]. Далее мы рассмотрим влияние, которое эти низкие потери могут оказать на ряд применений транзисторов данной технологии. Как видно в таблице, учитывая низкие значение Eon и Eoff, а следовательно, и малые потери при переключении, Supercascode можно использовать на рабочей частоте коммутации, большей в 10 раз.

Таблица 3. Сравнение модуля Supercascode и IGBT аналогичного рейтинга по производительности

Тип модуля

Номинальное напряжение, В

Номинальный рабочий ток, А

Условия VDS = 3600 В, +25 °С

Eon, мДж

Eoff, мДж

Qrr, мк

Qg, Кл

Рассматриваемый модуль

6500

200–250 (ожидаемый)

155

28,8

14

0,214 Кл

IGBT FZ250R65KE3

6500

250

1400
(на токе 250 А)

1200
(на токе 250 А)

296

10 мкКл

 

Применение высоковольтных ключей: полупроводниковые трансформаторы среднего напряжения

На полупроводниковый или, как его еще называют, твердотельный трансформатор (Solid State Transformer, SST) обычно подается входное напряжение переменного тока высокого или чаще среднего уровня, скажем, 4160 В переменного тока мощностью 13,8 кВ·А, которое он, без использования громоздкого классического трансформатора, преобразует в выходное более низкое напряжение. По своей сути, это изолированный DC/DC-преобразователь с добавленной функциональностью. Основная концепция данного решения и применение показаны на рис. 5.

Твердотельный трансформатор, базовая концепция и его практическое применение на примере зарядной станции электромобилей

Рис. 5. Твердотельный трансформатор, базовая концепция и его практическое применение на примере зарядной станции электромобилей

Здесь напряжение от сети переменного тока сначала поступает на AC/DC-преобразователь (по сути, выпрямитель) и выпрямляется, а затем в изолированном DC/DC-преобразователе преобразуется в высокочастотное переменное напряжение в диапазоне частот 5–100 кГц. При этом для гальванической изоляции используется гораздо меньший среднечастотный трансформатор, который обеспечивает пониженное вторичное напряжение. Далее напряжение снова выпрямляется и затем его можно использовать для зарядки аккумулятора электромобиля или для управления DC/AC-преобразователем для получения напряжения переменного тока, например подачи питания в электрическую локальную микросеть или для управления нагрузками электродвигателя с низким рабочим напряжением.

Такой твердотельный трансформатор, как правило, имеет габариты значительно меньше эквивалентного ему по мощности классического 60/50-Гц трансформатора, что позволяет распределять мощность при очень высоких напряжениях, а преобразование в более низкие напряжения выполняется непосредственно в месте его использования. Это уменьшает ток, при котором распределяется мощность, снижая вес и стоимость линий, а также потери в них. Такое решение может быть особенно полезно при уровнях мощности в мегаваттах, например на станциях быстрой зарядки напряжением постоянного тока, которым необходимо заряжать 8–10 автомобилей мощностью зарядной станции в 250–350 кВт, или на больших судах для уменьшения потерь в линиях, возникающих при распределении переменного тока более низкого напряжения.

Поскольку выпрямленное напряжение первичной стороны составляет не менее 6 кВ, то в случае, если требуются частоты переключения выше 500–1000 Гц, использовать IGBT или IGCT с рабочим напряжением 3,3 или 6,5 кВ попросту нельзя. Вместо этого можно выбрать многоуровневую инверторную архитектуру с 7+ уровнями IGBT 1700 В или модульный многоуровневый преобразователь (modular multi-level converter, MMC) с многокаскадными низковольтными преобразователями напряжения, рассчитанными на ступенчатую синусоидальную выходную мощность. Пример модульного многоуровневого преобразователя показан на рис. 6, где на каждой ступени преобразователя на первичной стороне используется трехуровневый модуль IGBT на 1700 В [11, 12]. Все в целом, с соответствующим управлением, необходимо для того, чтобы обеспечить на выходе желаемое напряжение синусоидальной формы.

Реализация модульной многоуровневой преобразовательной системы на основе кремниевых транзисторов для реализации твердотельного трансформатора [11]. Каждая из ячеек каскадного преобразователя на первичной стороне представляет собой трехуровневый модуль с рабочим напряжением 1700 В и использует преобразование на средних частотах

Рис. 6. Реализация модульной многоуровневой преобразовательной системы на основе кремниевых транзисторов для реализации твердотельного трансформатора [11]. Каждая из ячеек каскадного преобразователя на первичной стороне представляет собой трехуровневый модуль с рабочим напряжением 1700 В и использует преобразование на средних частотах

Для сравнения на рис. 7 показана трехуровневая реализация с SiC-модулями, рассчитанными на рабочее напряжение 10 кВ. Очевидно, что именно реализация на приборах SiC-технологии имеет решающее значение для упрощения архитектуры и управления преобразователями, что позволяет твердотельному трансформатору работать на относительно высоких частотах.

Гораздо более простая реализация с использованием высоковольтных SiC МОП-транзисторов или транзисторов топологии Supercascode

Рис. 7. Гораздо более простая реализация с использованием высоковольтных SiC МОП-транзисторов или транзисторов топологии Supercascode

Как можно видеть на рис. 7, сложность управления снижена, а количество высоковольтных устройств значительно уменьшено. Чтобы получить небольшой трансформатор, частота коммутации должна теперь быть в 10 раз больше, чем у кремниевого решения, а чтобы не усложнять решение отвода тепла, потери не должны выходить за разумные рамки. Именно в этом направлении высоковольтные устройства на основе SiC превосходят все, что может нам дать кремний.

 

Мегаваттные электроприводы

Анализ использования электроэнергии в США, составленный Министерством энергетики США, показывает, что 14% всей вырабатываемой электроэнергии потребляется промышленными электроприводами мегаваттного класса. Значительная экономия эксплуатационных расходов может быть достигнута при использовании этих двигателей с приводами с переменной скоростью вместо прямого подключения к сети. Эти моторные приводы обязательно работают от более высоких напряжений шины, чтобы уменьшить рабочие токи для управления размером и потерями меди. Вместо использования инверторов на основе Si, работающих на частоте 500–2000 Гц, инверторы на основе SiC можно использовать на более высоких частотах, в 10 раз, с гораздо меньшими потребностями охлаждения и размерами системы.

Разработчик системы с использованием SiC-модулей может выбрать ту же самую архитектуру многоуровневого преобразователя с использованием кремниевых модулей, как это уже было описано ранее, или использовать более простое двухуровневое или трехуровневое решение. Также с использованием SiC становится возможным повысить рабочее напряжение, что может снизить затраты между генерацией и распределением. Тем не менее для полного использования возможностей SiC необходимо значительное развитие конструкции двигателя и технологии. Но даже сегодня преимущества SiC в повышении эффективности работы двигателя за счет снижения пульсаций тока и эффективности инвертора за счет снижения потерь хорошо известны. В некоторых приложениях использование полупроводниковых приборов, выполненных по SiC-технологии, позволяет использовать двигатели на более высоких оборотах, намного меньшие по размеру, и возможно исключить редукторы.

 

Вспомогательное питание в высоковольтных системах

Все системы, описанные выше, для своей отвечающей за управление электроники требуют питания низкого напряжения ±5, 12 и 24 В. Также низкое напряжение требуется для питания небольших вспомогательных систем освещения и охлаждения. Упростить решение задачи по генерации этих малых уровней напряжения из доступного от сети переменного тока среднего по уровню напряжения могут модули с возможностью работы от высокого входного напряжения, которые способны обеспечить небольшой по уровню ток. Благодаря возможности легко увеличивать рабочее напряжение эта область применения как будто специально создана для концепции Supercascode. Использование в этой концепции нормально включенного SiC JFET последовательно с низковольтным нормально выключенным МОП-транзистором упрощает схему запуска, как это было продемонстрировано в низковольтных преобразователях с обратной связью. В зависимости от уровня мощности пользователи могут выбирать между использованием модулей питания или просто созданием сборки на основе печатной платы с использованием готовых компонентов JFET.

 

Выключатели постоянного тока для систем постоянного тока

С распространением производства электроэнергии на основе напряжения постоянного тока и нагрузок постоянного тока внимание было сосредоточено на том, как для замены механических автоматических выключателей использовать твердотельные автоматические выключатели. Это позволило бы повысить надежность, уменьшить размеры, сократить проблемы с образованием дуги вспышкой и повысить интеллектуальность защиты системы. Поскольку твердотельный выключатель не имеет движущихся частей и не пытается отключить ток механическим способом, он не подвержен искрению, дугообразованию и механическому износу контактов. Основное значение твердотельного подхода к отключению постоянного тока без форсирования резонансного пересечения нулевого тока заключается в том, что это легко сделать в течение 1 мс. Впоследствии для обеспечения гальванической изоляции цепей гораздо меньший по размеру размыкатель может быть разомкнут уже при нулевом токе. Этот метод значительно сокращает длительность воздействия и величину тока короткого замыкания в цепях, расположенных как за пределами, так и непосредственно в самом источнике. Пример такого устройства показан на рис. 8.

Реализация двунаправленного твердотельного автоматического выключателя постоянного тока

Рис. 8. Реализация двунаправленного твердотельного автоматического выключателя постоянного тока

Поскольку в крупномасштабной системе электропитания индуктивность кабеля LMIN и индуктивность нагрузки LLINE могут широко варьироваться, то при аварийном прерывании тока накопленная энергия в индуктивности линии должна как-то рассеиваться. Эта энергия может быть очень большой, а потому поглощается металлооксидным варистором (MOV), используемым параллельно, как это показано на рис. 8. В свою очередь снабберные элементы смягчают dV/dt и di/dt во время выключения. Двунаправленность обеспечивают встречно включенные транзисторы, при этом с помощью ключа структуры Supercascode можно достичь практически любого уровня напряжения или тока.

Основными требованиями к выключателям, используемым в этом приложении, являются низкие потери проводимости, простое масштабирование напряжения и тока, а также надежная работа при отключении с большими аварийными токами. Подход на основе Supercascode здесь как нельзя кстати. SiC JFET, как известно, имеют явно выраженный положительный температурный коэффициент сопротивления (ТКС), с почти плоской зависимостью порогового напряжения VTH в соответствии с температурой, и поэтому их достаточно просто включать в параллель, что делает масштабирование для достижения высокого тока довольно простым. А с помощью метода Supercascode и масштабирование по напряжению также становится легким, поскольку для управления работой выключателя используется только один общий источник МОП-транзистора с низким напряжением.

Применение Supercascode с простой схемой анализа тока на основе операционного усилителя (ОУ) наряду с МОП-транзистором низкого напряжения, как показано на рис. 9, позволяет реализовать быстродействующий прерыватель тока с очень низкими вносимыми потерями и минимизировать пиковый аварийный ток.

Пример конструкции автоматического выключателя с ограничением тока 6500 В/1000 А

Рис. 9. Пример конструкции автоматического выключателя с ограничением тока 6500 В/1000 А

Согласно стандарту IEC 60947-2 (ГОСТ Р 50030.2-2010), токоограничивающий выключатель (Current limiting circuit breaker) — это выключатель с временем отключения достаточно малым, чтобы предотвратить короткое замыкание при ожидаемом максимальном значении тока. То есть он может уменьшить пиковый кажущийся ток повреждения до меньшего значения и изолировать отказ менее чем за половину цикла. В его конструкции предусмотрены специальные меры для ограничения в заданном диапазоне тока отключаемой им цепи (рис. 10), что характеризуется параметром I2t (интеграл Джоуля) — условной величиной, отображающей тепловое действие тока короткого замыкания на рассматриваемый элемент электроустановки в пределах от начального момента короткого замыкания до момента его отключения.

Токоограничивающий выключатель — ограничения в заданном диапазоне тока отключаемой им цепи (пример для пульсирующего тока, подробнее — в IEC 60947-2)

Рис. 10. Токоограничивающий выключатель — ограничения в заданном диапазоне тока отключаемой им цепи (пример для пульсирующего тока, подробнее — в IEC 60947-2)

Токоограничивающие автоматические выключатели используются для защиты нагрузок вблизи источника питания (подстанции). Вариант прерывателя, показанный на рис. 9, состоит из восьми параллельных цепей, каждая из которых имеет пять последовательно соединенных JFET. Ток срабатывания может быть установлен с помощью опорного напряжения на входе ОУ. Ток может быть измерен либо как показано, либо через VDS(ON) низковольтного МОП-транзистора. Эта схема может быть изменена для управления пусковым током и для отключения только в случае реальной неисправности. В данном примере масштабирование напряжения выполняется последовательно подключенными устройствами, а масштабирование тока — параллельными каскадами.

 

Заключение

Устройства SiC являются отличными кандидатами для улучшения силовой электроники, работающей в области среднего и высокого напряжения. От полупроводниковых трансформаторов до электроприводов класса мегаватт, вспомогательных систем питания и твердотельных автоматических выключателей мы показали, как SiC МОП-транзисторы в целом и Supercascode на основе SiC JFET в частности предлагают весьма убедительные преимущества в высокой производительности и упрощении системы. Рост использования в этих приложениях будет стимулировать и развитие силовой электроники на основе SiC в будущем, далеко за пределами бума в области электроавтомобилестроения в 2020-х годах.

Следующая, последняя статья этого цикла предоставит информацию о применении SiC-транзисторов в блоках питания телекоммуникационной аппаратуры и центров обработки данных. Дополнительные сведения по SiC JFET в рассматриваемом контексте представлены в презентации [8] и публикации [13], а более подробную информацию по этим и другим вопросам применения SiC-транзисторов можно найти на веб-сайте компании UnitedSiC [15]. К сожалению, опубликованный оригинал этой части статьи [1] содержит ряд неточностей, соответственно, он был переработан его автором и вновь опубликован как [14].

Литература
  1. Bhalla A. Are you SiC of Silicon? Part 5.
  2. Бхалла А. Вы за SiC или кремний? Часть 1. Тенденции развития и проблемы применения SiC в приложениях // Силовая электроника. 2020. № 1.
  3. Бхалла А. Вы за SiC или кремний? Часть 2. Современные тенденции применения SiC-устройств и технологии корпусирования // Силовая электроника. 2020. № 2.
  4. Бхалла А. Вы за SiC или кремний? Часть 3. Тенденции в применении SiC в электромобилях // Силовая электроника. 2020. № 3.
  5. Бхалла А. Вы за SiC или кремний? Часть 4. Как создать лучшие тяговые инверторы для электромобиля? Ответ: использовать SiC!// Силовая электроника. 2020. № 4.
  6. Ли П. Результаты тестирования изоляции DC/DC-преобразователей питания драйверов затвора на ее устойчивость к частичным разрядам // Компоненты и технологии. 2016. № 8.
  7. Штёгер М. Беспокоитесь по поводу долговременной надежности изоляции драйвера затвора? Посмотрите на результаты тестирования, проведенного в ходе НИОКР «BIER» // Силовая электроника. 2019. №2.
  8. Rocneanu C. SiC Cascodes and its advantages in power electronic applications. WBG Power Conference, Munich, 5th December 2017.
  9. FZ250R65KE3 6500 V, 250 A IGBT module
  10. Bhalla A. How SiC Devices Have Changed the Face of Semiconductor Sector.
  11. Kolar J. W., Huber J. E. Fundamentals and Application-Oriented Evaluation of Solid-State Transform Concepts. Power Electronic Systems LaboratoryETH Zurich, Switzerland. 
  12. Huang A. Q., Zhu Q., Wang L., Zhang L. 5 kV SiC MOSFET: An Enabling Technology for Medium Voltage Solid State Transformers // CPSS Transactions on power electronics and applications. 2017. Vol. 2. No. 2.
  13. Losee P., Bhall A. Versatile SiC JFETs Benefit Power Switching And Circuit Protection Applications. HOW2POWER TODAY. August 2019.
  14. Article #5: Ultra-High Voltage SiC and Supercascodes. PSD ARTICLE SERIES “Are You SiC of Silicon?” 2019. 
  15. www.unitedsic.com

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *