SiC силовые приборы: прорыв на системном уровне
На данный момент все понимают, что любой силовой SiC-прибор превосходит свой кремниевый (Si) аналог. Более высокая блокирующая способность, большая скорость переключения, меньшие потери и лучшая теплопроводность означают, что SiC MOSFET-транзисторы характеризуются значительно меньшими динамическими потерями по сравнению с кремниевыми MOSFET или IGBT. У карбид-кремниевых диодов отсутствуют потери обратного восстановления, оба SiC-прибора проводят значительно больший ток на единицу площади, чем кремниевые аналоги. Однако отдельные SiC-компоненты не становятся силовыми преобразователями, а потому необходимо разработать прогрессивную конструкцию на системном уровне, чтобы реализовать преимущества, которые обеспечивают эти устройства.
Для того чтобы развивать новые технологии систем преобразования энергии, промышленности нужны более эффективные, надежные и менее дорогие силовые электронные системы. В течение многих лет карбид кремния рассматривается как наиболее продвинутый и широко распространенный полупроводниковый широкозонный материал.
Силовые SiC-приборы предназначены для эффективного преобразования энергии от солнечных батарей в промышленные сети и для превращения сетевого напряжения в DC- и AC-сигналы для питания компьютеров, систем накопления энергии, цифровых систем связи, моторных приводов, зарядных устройств и других приложений. Например, гибридные электромобили (HEV), подзаряжаемые гибридные электромобили (PHEV) и батарейные электромобили (BEV) содержат ряд критических систем, в которых использование силовых SiC-приборов позволяет повысить энергоэффективность и производительность и обеспечивает им заметные преимущества на рынке.
Реализация потенциальных возможностей
Применение SiC-приборов обеспечило прорывные решения на компонентном уровне для силовых электронных блоков, являющихся фундаментальными для любой схемы преобразования энергии. Ключом к выходу за существующие рамки становится эффективное использование этих устройств в практических, реальных энергетических системах.
Потребность в электрификации транспортных средств продолжает расти, и производители стремятся внедрять новейшие силовые электронные технологии для повышения общей производительности, эффективности и снижения стоимости, веса и сложности конструкции. Например, применение SiC MOSFET Wolfspeed C3M065100K (1000 В) позволяет значительно улучшить конструкцию и производительность DC/DC-конвертеров, устанавливаемых в зарядных станциях электромобилей. Эти SiC-транзисторы обеспечивают самые низкие потери, они использованы в двух преобразователях: двухуровневом LLC резонансном преобразователе и двухуровневом конвертере с фазовым сдвигом. Первое устройство работает на частотах 200–400 кГц и имеет пиковую эффективность 98,4% при напряжении 200–500 В, второе — на частотах 200–400 кГц обеспечивает пиковую эффективность 97,5% при напряжении 200–700 В.
Сравнение показателей системного уровня с параметрами лучших в своем классе кремниевых MOSFET-транзисторов с напряжением 650 В демонстрирует, что обе топологии схем модифицированы с трехуровневых на кремниевых приборах до двухуровневых на базе SiC-ключей. Применение SiC-транзисторов и изменение топологии схем сокращает количество требуемых компонентов с 16 кремниевых до восьми SiC MOSFET, при этом повышается эффективность преобразования.
Переход на двухуровневую схему с SiC-ключами также упрощает дизайн драйвера затворов и благодаря работе на более высоких частотах уменьшает как размер, так и стоимость необходимых магнитных компонентов. Максимальное рабочее напряжение транзистора 1000 В позволяет подавать на DC-шину обоих преобразователей до 850 В.
Эффективность преобразования
На рис. 1 дается сравнение на системном уровне готового DC/DC-конвертера мощностью 15 кВт на кремниевых транзисторах с эквивалентным устройством мощностью 20 кВт на карбид-кремниевых MOSFET-транзисторах Wolfspeed. Общая пиковая эффективность SiC-преобразователя составляет 98,4% против 97,5% у конвертера на кремниевых ключах. При этом SiC-система отличается компактностью, более высокой эффективностью и меньшим нагревом.

Рис. 1. Wolfspeed DC/DC-конвертер мощностью 20 кВт на SiC-приборах (слева) и DC/DC-конвертер мощностью 15 кВт на кремниевых приборах (справа)
Компания Wolfspeed также продемонстрировала, как силовые ключи на основе карбида кремния обеспечивают прорывные решения в коммерческих готовых сборках, созданных с применением Si-IGBT-модулей 62 мм, 400 А, 1,2 кВ. Типовые силовые сборки содержат компоненты системного уровня: конденсаторы DC-шины, систему воздушного охлаждения и вентилятор, а также драйверы затворов с функциями защиты и датчиками.
В соответствии со спецификацией, выходная мощность сборки — 140 кВт (200 Arms) на частоте 3 кГц, данное изделие является самым маленьким из всего семейства коммерческих сборок. Решение представляет собой модульную силовую подсистему на основе стандартных промышленных модулей и предназначено для эксплуатации в центральных солнечных инверторах и моторных приводах. В рамках этого исследования три IGBT 1200 В, 400 A были заменены на модули SiC Wolfspeed 1200 В, 300 A CAS300M12BM2. Шестиканальная плата драйвера затворов заменена тремя двухканальными драйверами, предназначенными для управления SiC.
Замена IGBT
Модули SiC MOSFET со встроенными SIC-диодами Шоттки имеют пять различных преимуществ относительно заменяемых модулей IGBT 400 А, а именно: меньшие коммутационные потери, меньшие потери проводимости, незначительные коммутационные потери диодов, больший запас по напряжению пробоя и иммунитет к воздействию космического излучения.
Сборка на модулях SiC испытывалась как трехфазный инвертор. Измеренные результаты сравнивались с данными спецификации сборки на IGBT-транзисторах. Инвертор SiC показал значительно меньший уровень рассеиваемой мощности, что позволяет получить такую же выходную мощность и эффективность на гораздо более высоких частотах коммутации. Также это позволяет уменьшить размер, вес и стоимость системы или обеспечить большую мощность на той же частоте переключения, что улучшает плотность мощности и удельный показатель Вт/USD. К тому же у системы появляется возможность работать при меньшей температуре кристаллов и с более высокой эффективностью в аналогичных условиях эксплуатации, что эффектно улучшает надежность.
На рис. 2 показаны кривые номинального выходного тока инверторов в зависимости от частоты переключения. Существует обратная зависимость между выходным током и рабочей частотой. Видно, что из-за резкого снижения выходного тока на частоте 10 кГц инвертор IGBT с номинальным током 750 A, который в три раза превышает физический размер сборки на основе SiC, имеет такую же нагрузочную способность.
Уменьшенные размеры и вес изделия позволяют разработчикам в результате применения силовых SiC-модулей повысить эффективность преобразования и плотность мощности в дополнение к уменьшению системы охлаждения, упрощению схемы устройства и снижению требований к тепловым характеристикам.