Силовые SiC-модули для высоковольтных приложений

Проектирование и производство новых компактных высоковольтных силовых модулей на основе карбида кремния (SiC) требует внимательного изучения свойств изоляционных материалов, анализа путей токов утечки, оптимизации паразитарных элементов конструкции и внешних цепей подключения, а также проведения тестов при высоких температурах и других предельных воздействиях окружающей среды. Два силовых SiC-модуля, описанных в этой статье, наглядно демонстрируют потенциал карбидокремниевых приборов в высоковольтных применениях, таких как хранение энергии, сетевая силовая электроника, а также железнодорожные и судовые энергетические системы.

Силовые SiC-модули для применений с напряжением 15 кВ

Компанией Cree разработан низкопрофильный (малогабаритный) силовой модуль на основе высоко­вольтных SiC-приборов последнего поколения, позволяющий увеличить рабочее напряжение при минимальном размере модуля и снизить необходимость в его эффективном охлаждении. По сравнению с аналогичным Si-прибором на 6,5 кВ, SiC-модуль занимает только треть его объема и весит вполовину меньше, обеспечивая при этом на порядок более высокую скорость переключения и вдвое большее напряжение пробоя при пониженных требованиях к охлаждению. На системном уровне это выражается в росте КПД более чем на 10% и снижении потерь энергии на 50%, что увеличивает удельную мощность всей системы. Таким образом, новый SiC-модуль представляет собой «кирпичик» для построения силовых конвертеров, отличающихся простотой конструкции и повышенной эффективностью преобразования.

В разработанном приборе (рис. 1), имеющем полумостовую конфигурацию, использовано восемь SiC-приборов на ключ: четыре SiC-транзистора и четыре SiC-диода Шоттки. Конструкция модуля может использовать широкий спектр различных высоковольтных приборов, в том числе SiC MOSFET на 10 кВ/40 А или SiC IGBT на 15 кВ/80 А. В состав модуля входит встроенный термодатчик, контролирующий температуру кристаллов в процессе работы.

Рис. 1. SiC-модуль с рабочим напряжением 15 кВ и рабочей температурой +200 °С. Ключевыми параметрами конструктива являются гибкость, модульность и малый форм-фактор

В модуле предусмотрен стандартный способ подключения выводов кристаллов с помощью ультразвуковой сварки, а также возможность монтажа методом «флип-чип». Изолирующие подложки, базовые платы и корпуса стандартизированы для обеих конфигураций модуля с целью упрощения типизации и повышения технологичности конструкции. После соединения базовой платы и подложки с помощью высокотемпературного припоя производится проверка четырех отдельных полумостовых блоков перед их включением в прибор. Независимое тестирование и контроль качества для всех узлов дает уникальную возможность доработки силового ключа перед окончательной сборкой.

Оптимизация положения силовых элементов внутри модуля позволяет улучшить термомеханические характеристики и снизить эффект деформации из-за несоответствия коэффициентов теплового расширения (КТР) используемых материалов. Базовые платы полумостовых «субблоков» выполнены из матричного композиционного материала с низкой плотностью и малым КТР. Это обеспечивает снижение веса на 80%, так как база, как правило, является самой «тяжелой» составляющей модуля. Кроме того, поскольку в системе обычно используется несколько ключей, уменьшение их веса может способствовать значительному снижению массо-габаритных показателей системы.

Корпус модуля изготовлен из высокотемпературного пластика, который обеспечивает защиту от внешней среды и позволяет работать при высоких температурах. Термостойкий пластиковый корпус также был разработан для удовлетворения требованиям стандартов UL и МЭК по длинам путей утечки (степень загрязнения 2), соответствующим эксплуатации при напряжении 15 кВ. Необходимые внутренние зазоры обеспечиваются путем заливки высокотемпературным силиконовым гелем.

Рис. 2. Кривые коммутации связанной индуктивной нагрузки (V_DC = 8 кВ, I_sw = 28 A, R_g = 2,5 Ом) для субмодуля с рабочим напряжением 15 кВ

Высокая производительность и отличные характеристики переключения нового 10-кВ SiC MOSFET продемонстрированы на рис. 2 на примере динамических параметров субмодуля. Эпюры получены при коммутации ключа на связанную индуктивную нагрузку при напряжении 8 кВ и токе 28 А. При использовании резистора затвора 2,5 Ом субмодуль имеет скорость переключения до 111 кВ/мкс, что в 10 раз выше, чем у обычных Si IGBT. На рис. 3 показаны кривые энергии включения и выключения, а также общее значение энергии потерь субмодуля при различных токах.

Рис. 3. Энергия переключения в зависимости от тока при V_DC = 8 кВ для субмодуля: общие динамические потери в 70 раз ниже, чем у модуля Si IGBT (6,5 кВ/250 А)

Силовой модуль SiC IGBT 24 кВ/30 A

Инженерные образцы модуля на основе высоковольтных 24-кВ SiC IGBT кристаллов были разработаны по контракту с исследовательской лабораторией американской армии (Договор о сотрудничестве W911NF-13-2-0023) для удовлетворения конкретных требований по ультравысоковольтному модулю в компактном конструктиве. Конструкция силового ключа, показанного на рис. 4, спроектирована с учетом работы при напряжении 24 кВ. Расстояния между терминалами не соответствуют требованиям, позволяющим предотвращать пробой на открытом воздухе, поэтому модуль спроектирован с учетом работы в диэлектрической жидкости.

Рис. 4. Силовой модуль SiC IGBT (24 кВ/30 А)

Конфигурация прибора может быть изменена для различных топологий схем, это может быть одиночный IGBT с антипараллельным диодом, чоппер или полумост, таким образом, разработчики получают набор базовых блоков для реализации широкого спектра высоковольтных приложений. Модуль специально разработан для применения при высоких температурах (+200 °С), для чего внутреннее пространство заполнено диэлектрическим наполнителем, а внешняя часть корпуса изготовлена из высокотемпературного пластика.

Разработка силового модуля производилась с использованием моделирования методом конечных элементов (FEM), а также усовершенствованных CAD инструментов для определения механических напряжений, температурных градиентов, напряженности электрических полей и величин паразитных элементов. Кроме того, был выбран материал базовой платы, имеющий хорошее согласование по коэффициенту теплового расширения с керамической подложкой, использованной для электрической изоляции высоковольтного SiC IGBT.

В предыдущих работах, например [1], были представлены характеристики обратного напряжения и режима переключения в диапазоне температур +25…+125 °С (рис. 5). Тестирование, проведенное со связанной индуктивной нагрузкой при напряжении и токе 14 кВ/22 А, продемонстрировало скорость переключения 46 кВ/мкс, некоторое ухудшение было отмечено при повышении температуры до +125 °C. Однако следует отметить, что конструкция и производительность устройства были существенно улучшены в процессе проектирования. В целом, SiC IGBT 24 кВ продемонстрировал экстремально высокие скорости переключения.

Рис. 5.
а) Ток утечки SiC IGBT 24 кВ;
б) динамические характеристики SiC IGBT 24 кВ/30 А при различных температурах

Заключение

Два новых высоковольтных, высокотемпературных силовых SiC-модуля показали предельно высокие характеристики переключения транзисторов на основе карбида кремния. Корпус модуля, разработанный специально для установки этих и других широкозонных мощных полупроводниковых приборов, обеспечивает снижение габаритов и сложности многоуровневых преобразователей (MLI), устранение внешней системы охлаждения, а также значительное повышение КПД и плотности мощности на системном уровне. В частности, высоковольтные и тепловые характеристики мощных SiC-приборов позволяют разработчикам силовой электроники значительно сократить количество схемных уровней MLI по сравнению с обычными Si-модулями.

Хотя стоимость устройств на основе SiC часто рассматривается как препятствие к их широкому применению, она постоянно уменьшается по мере увеличения объема производства. Кроме того, поскольку применение SiC-приборов позволяет снизить общую стоимость системы и существенно повысить ее эффективность, у системных интеграторов нет необходимости в достижении полного паритета по их стоимости с кремнием.