Full-SiC-модуль на 6500 В в корпусе HV100 с изоляцией 10,2 кВ

Высокоэффективные силовые модули на основе SiC для широкого спектра применений

№ 5’2021
PDF версия
В настоящее время силовые транзисторные модули на основе карбида кремния (SiC) находят все более широкое применение там, где требуется повышенный КПД преобразователя или снижение его массогабаритных показателей. Диапазон мощности таких применений весьма разнообразен: от бытовых кондиционеров и зарядных устройств до промышленных и даже тяговых железнодорожных приводов. В статье приводится актуальная информация о последних разработках компании «Мицубиси Электрик» в области SiC широкого диапазона рабочих напряжений и мощностей в контексте использования модулей в различных применениях.

Введение

Снижение выбросов углекислого газа и более рациональное использование электроэнергии — это сегодняшние тенденции, все прочнее закрепляющиеся в современном обществе. Появление такого полупроводникового материала, как карбид кремния (SiC) с его уникальными физическими свойствами, отлично удовлетворяет данным стремлениям с точки зрения снижения энергопотребления и минимизации габаритов преобразователей (уменьшение количества деталей и материалов).

Главное отличие полупроводников (п/п) на основе SiC от классических кремниевых устройств — большая ширина запрещенной зоны. Это позволяет достичь 10-кратного увеличения напряженности электрического поля в SiC-кристаллах. Соответственно, для обеспечения одной и той же блокирующей способности кристаллы на основе SiC будут иметь меньшую толщину, а значит, и меньшее электрическое сопротивление (потери проводимости).

Более того, благодаря широкой запрещенной зоне высоковольтные транзисторы на основе карбида кремния с блокирующим напряжением вплоть до 6500 В могут иметь не привычную IGBT-структуру, а полевую MOSFET. За счет высокой скорости переключения полевые транзисторы имеют низкие потери при переключении и позволяют существенно увеличить частоту коммутации. В большинстве применений повышение частоты работы силового преобразователя позволяет увеличить плотность мощности прочих компонентов: фильтров, трансформаторов, двигателей. Другими словами, силовые преобразователи с использованием SiC становятся компактнее.

С 1990 года компания «Мицубиси Электрик» накопила обширный опыт в области производства и применения силовых модулей на основе SiC. Сегодня модули на основе карбида кремния успешно выходят из области технологического ноу-хау и получают все более широкое распространение в реальных применениях, начиная от бытовых кондиционеров и источников питания и заканчивая мощными промышленными преобразователями и даже тяговыми ж/д приводами. Требования к SiC-модулям также разнятся в зависимости от применения, основные из них приведены в данной статье.

 

Главный компонент: новое поколение SiC-кристаллов

В актуальной линейке карбид-кремниевых модулей «Мицубиси Электрик» используется второе поколение SiC-кристаллов, выпускаемых по новой технологии на шестидюймовых пластинах. Как показано на рис. 1, второе поколение SiC имеет улучшенную планарную MOSFET-структуру. Специальная технология легирования JFET-области способствует существенному снижению прямого сопротивления Ron,sp (рис. 2) до уровня последних поколений чипов с траншейным затвором (рис. 3). Более того, легирование JFET-области уменьшает проходную емкость кристалла Crss, определяющую скорость переключения SiC-прибора. Меньшая Crss увеличивает частоту переключения, а также улучшает стойкость чипа к паразитному включению, как будет описано далее.

Структура SiC MOSFET-чипа второго поколения

Рис. 1. Структура SiC MOSFET-чипа второго поколения

Влияние новой технологии легирования области JFET на сопротивление Ron,sp

Рис. 2. Влияние новой технологии легирования области JFET на сопротивление Ron,sp

Сравнение планарной и траншейной структуры различных SiC MOSFET-чипов

Рис. 3. Сравнение планарной и траншейной структуры различных SiC MOSFET-чипов

 

Дискретные SiC-приборы для зарядных устройств электротранспорта, кондиционеров и тепловых насосов

Основными требованиями к силовым ключам для таких применений, как зарядные устройства электротранспорта, кондиционеры и тепловые насосы, являются хорошая доступность на рынке, универсальный взаимозаменяемый с другими производителями корпус, а также рабочий номинальный ток до 100 А. Для данных применений компанией разработана N-серия дискретных приборов в корпусе TO-247 на 1200 В с использованием SiC-кристаллов второго поколения [1, 2]. Данный тип корпусов по-прежнему востребован во многих применениях низкой и средней мощности благодаря своей универсальности: одиночные транзисторы и диоды позволяют собрать преобразователь любой топологии. За счет простой конструкции корпуса TO-247 (рис. 4) и больших объемов производства дискретные SiC-компоненты наиболее доступны с точки зрения цены. Помимо трехвыводных корпусов, в линейке предлагаются четырехвыводные корпуса TO-247, потери на переключение в которых снижены на 30% [3]. В таблице 1 показана линейка дискретных MOSFET-транзисторов на основе SiC. Помимо типовых выходных тестов при производстве, ряд транзисторов сертифицирован по стандарту AEQ-Q101, что делает возможным их использование в электротранспорте.

Дискретные SiC-транзисторы и диоды N-серии на 1200 В

Рис. 4. Дискретные SiC-транзисторы и диоды N-серии на 1200 В

Таблица 1. Линейка дискретных SiC-транзисторов «Мицубиси Электрик» N-серии

Модель

BM080N120S(J)

BM040N120S(J)

BM022N120S(J)

VDC, В

1200

RDS(on), мОм

80

40

22

ID, max@25, А

38

68

102

Корпус

TO-247-3

Размер, мм

15,9×41×5

Благодаря низким коммутационным потерям N-серия SiC-транзисторов оптимальна, к примеру, для применения в источниках питания, что позволяет уменьшить размеры или вовсе исключить из схемы часть пассивных элементов (трансформаторов, дросселей) за счет увеличения частоты переключения.

 

Основные характеристики

Второе поколение SiC MOSFET-кристаллов «Мицубиси Электрик» имеет планарную структуру с легированием области JFET. У этой технологии есть ряд преимуществ перед предыдущим поколением SiC. Так, хорошо известно, что за счет высокого напряжения пробоя карбида кремния стало возможным создание MOSFET-транзисторов на 1200 В с низким сопротивлением области дрейфа (Rdrift). Но другой значительной частью удельного сопротивления MOSFET-транзистора является сопротивление аккумулирующего слоя JFET в его структуре. За счет новой технологии легирования области JFET в SiC-кристаллах второго поколения удельное сопротивление JFET было также снижено.

Еще одна из важнейших характеристик MOSFET-транзистора, определяющих характеристики его переключения, — соотношение входной емкости (Ciss) к проходной емкости (емкости Миллера, Crss). Включение рабочего тока транзистора нижнего плеча Q2 ведет к высокому dV/dt в транзисторе верхнего плеча Q1 (рис. 5). В результате ток затвора Ig начинает течь в затвор транзистора Q1 через емкость Миллера (Crss). Если падение напряжения, вызванное данным током, превысит пороговое напряжение Vgs(th), произойдет паразитное открытие верхнего транзистора Q1 и, соответственно, короткое замыкание. При этом величина тока Ig пропорциональна Crss и dV/dt. За счет уменьшения параметра Crss, результирующее произведение сопротивления транзистора на заряд затвор-стока составило 1450 мОм·нКл. Это увеличивает стойкость к паразитному включению (приблизительно в 14 раз) в сравнении с обычными SiC MOSFET. Таким образом, одновременно достигается быстрая скорость переключения и низкое сопротивление канала.

Эффект паразитного включения верхнего транзистора

Рис. 5. Эффект паразитного включения верхнего транзистора

Ключевым параметром в спецификации дискретных SiC MOSFET-транзисторов является сопротивление RDS(on), указываемое при температуре Tj = +25 °C. Однако в реальных условиях использования температура перехода Tj достигает +100 °C и выше, при этом сопротивление RDS(on) растет. Для N-серии транзисторов «Мицубиси Электрик» данный эффект слабо выражен, и рост сопротивления составляет лишь около 10% при повышении температуры перехода до +100 °C. Это снижает потери проводимости в преобразователе и позволяет увеличить его выходную мощность, используя транзисторы c тем же показателем RDS(on).

В дополнение к карбид-кремниевым MOSFET-транзисторам N-серии компания «Мицубиси Электрик» также выпустила на рынок линейку соответствующих диодов Шоттки (SBD — Schottky-Barrier Diode). Обычно диоды Шоттки имеют более низкое прямое падение напряжения VF в сравнении с классическими биполярными диодами. Однако при разработке кристалла диода всегда существует баланс между низким прямым падением напряжения VF и стойкостью к ударному прямому току. Чтобы оптимизировать оба параметра, компания «Мицубиси Электрик» разработала так называемую JBSD-структуру (Junction Barrier Schottky Diode), в которой в дополнение к барьеру Шоттки параллельно добавлен p-n-переход, стойкий к большим ударным токам (рис. 6, 7). Линейка диодов включает приборы на 600 и 1200 В с номинальными токами 10 и 20 А в различных дискретных корпусах: TO-247, TO-220FP-2, TO-263S [4].

Структура диода JBSD

Рис. 6. Структура диода JBSD

Сравнение характеристик диода (падение напряжения VF и максимальный прямой ток IFSM)

Рис. 7. Сравнение характеристик диода (падение напряжения VF и максимальный прямой ток IFSM)

 

Увеличение эффективности кондиционеров за счет использования SiC DIPIPM-модулей

Для инверторов небольшой мощности компания «Мицубиси Электрик» представила карбид-кремниевые модули DIPIPM (интеллектуальный силовой модуль в корпусе DIP) с блокирующим напряжением 600 В и номинальным током 15 и 25 А. Данные интеллектуальные устройства имеют в одном корпусе шесть транзисторов с антипараллельными диодами (трехфазный мост), а также интегральные схемы драйверов для их управления (рис. 8). Под «интеллектуальными» функциями в данном случае понимаются системы защиты, которыми обладает модуль: защита от КЗ, защита от перегрева, а также защита от просадки питающего напряжения. Как показано на рис. 9, модули выполнены по технологии монолитного корпуса (Transfer Molding), которая позволяет повысить продуктивность и стойкость модуля к агрессивной внешней среде. Выигрыш за счет использования SiC-кристаллов особенно заметен в применениях с графиком работы «24×7», таких как кондиционеры или насосы. На рис. 10 сравнивается классический кремниевый модуль с аналогичным SiC. Видно, что снижение потерь в модуле составляет порядка 70% при тех же условиях.

Функциональная схема SiC-модуля Super Mini DIPIPM

Рис. 8. Функциональная схема SiC-модуля Super Mini DIPIPM

Интеллектуальный SiC-модуль Super Mini DIPIPM со встроенным драйвером

Рис. 9. Интеллектуальный SiC-модуль Super Mini DIPIPM со встроенным драйвером

Сравнение потерь в DIPIPM-модулях (Vcc = 300 В, fc = 15 кГц, Io = 1,5 А, Tj = +125 °C)

Рис. 10. Сравнение потерь в DIPIPM-модулях (Vcc = 300 В, fc = 15 кГц, Io = 1,5 А, Tj = +125 °C)

 

SiC-модули для ИБП, станций быстрой зарядки и преобразователей для возобновляемой энергетики

Такие применения, как ИБП, станции быстрой зарядки и преобразователи для возобновляемой энергетики, обычно требуют бóльших выходных токов, чем в случаях, которые обсуждались ранее. Специально для таких применений «Мицубиси Электрик» расширила линейку модулей на базе SiC-чипов второго поколения, добавив к существующим модулям на 1200 В устройства на 1700 В с рабочим током до 1200 А [5]. Как показано на рис. 11, второе поколение SiC-модулей имеет те же корпуса, что и первая генерация, позволяя заказчикам заменить силовые модули без изменения дизайна преобразователя. Полная линейка модулей представлена в таблице 2.

Внешний вид общепромышленных SiC-модулей второго поколения

Рис. 11. Внешний вид общепромышленных SiC-модулей второго поколения

Таблица 2. Линейка общепромышленных SiC-модулей второго поколения

Модель

Напряжение, В

Ток, А

Топология

Защита RTC

Размеры, мм

FMF400BX-24B

1200

400

4 в 1

Нет

121,7×92,3

FMF800DX-24B

800

2 в 1

FMF300BXZ-24B

300

4 в 1

Да

122×79,6

FMF400BXZ-24B

400

FMF600DXZ-24B

600

2 в 1

FMF800DXZ-24B

800

FMF1200DXZ-24B

1200

122×152

FMF300DXZ-34B

1700

300

122×79,6

FMF300E3XZ-34B

Чоппер

Основные особенности

Имея размеры корпуса 122×76,9 мм, подложка SiC-модулей в точности повторяет геометрию модулей серии NX. Однако для снижения внутренней паразитной индуктивности модуля расположение силовых выводов устройства было изменено. Это позволило получить максимально низкие коммутационные потери и перенапряжения. Помимо этого, конструкция основания модулей и схема расположения MOSFET- и SBD-чипов были оптимизированы для лучшего распределения тепла по подложке.

За счет технологии легирования области JFET, описанной ранее, второе поколение SiC-модулей имеет существенно меньшие потери: в сравнении с первым поколением снижены как потери проводимости, так и динамические потери [6].

Разработанная компанией «Мицубиси Электрик» функция контроля в реальном времени RTC (Real-Time Control) упрощает схему защиты модуля от короткого замыкания. Создание схемы защиты от КЗ является нетривиальной задачей при переходе с IGBT на SiC MOSFET, поскольку стандартный метод, выявляющий выход транзистора из насыщения, к последним не применим. Для преодоления данного ограничения система RTC детектирует ток КЗ с помощью датчика тока, встроенного непосредственно в чип MOSFET. В случае обнаружения КЗ управляющее напряжение затвора автоматически понижается для ограничения тока и увеличения максимального времени до перегрева кристаллов, за которое драйвер может среагировать на сигнал ошибки от RTC и отключить ток (рис. 12).

Эффективное отключение КЗ системой RTC, встроенной в модуль

Рис. 12. Эффективное отключение КЗ системой RTC, встроенной в модуль

 

Высоковольтные SiC-модули для железнодорожных и сетевых применений

В таких применениях, как высокоскоростные поезда, SiC-модули позволяют построить более эффективную и компактную систему тягового привода. К примеру, в высокоскоростных поездах «Шинкансен» (Shinkansen) тяговый привод на основе SiC имеет на 20% меньшую массу, что позволяет оптимизировать конструкцию вагона. Помимо снижения массы за счет сокращения потерь при переходе на SiC-система охлаждения инвертора была также уменьшена — итоговый размер тягового инвертора составил лишь 50% от первоначального [7].

Кроме тяговых инверторов, при переходе на SiC выигрыш в потерях преобразователей собственных нужд (ПСН), зарядок для батарей и DC/DС-преобразователей становится еще более существенным за счет увеличения частоты переключения. Большая частота ШИМ, как правило, позволяет уменьшить размеры пассивных компонентов: трансформаторов, дросселей, конденсаторов. Более того, с высокочастотной ШИМ обычно возможно использование других, магнитомягких сердечников. Это также дает широкий потенциал к увеличению КПД и снижению стоимости [8, 9].

Помимо больших значений номинального тока и напряжения силовых модулей, такие применения как ж/д транспорт и электроэнергетика, требуют от приборов высокой производительности и надежности. Компания «Мицубиси Электрик» вывела на рынок SiC-модули напряжением до 3,3 кВ транспортного исполнения, специально предназначенные для таких применений. Уже в 2015 году в серийно выпускаемые высокоскоростные поезда начали устанавливаться полные силовые SiC-модули (транзистор и обратный диод на базе карбида кремния) [10]. Таким образом, надежность данных приборов проверена в реальной эксплуатации по меньшей мере в течение пяти лет.

«Мицубиси Электрик» выпускает новые модули 3,3 кВ класса напряжения в корпусах LV100 (рис. 13). В данном классе напряжения доступны модули двух номиналов тока: 375 и 750 А (рис. 14).

SiC-модуль транспортного исполнения на 3300 В в корпусе LV100 с изоляцией 6 кВ

Рис. 13. SiC-модуль транспортного исполнения на 3300 В в корпусе LV100 с изоляцией 6 кВ

Линейка Si- и SiC-модулей на 3300 В в корпусах LV100

Рис. 14. Линейка Si- и SiC-модулей на 3300 В в корпусах LV100

Помимо полных SiC-модулей с чипами диодов и транзисторов на основе карбида кремния, в линейке компании есть и гибридные модули. В корпусе LV100 выпускается гибридный модуль на 3,3 кВ номинальным током 600 А. Данный прибор сочетает кремниевый IGBT-чип новейшего поколения (серия X) с SiC-диодом. В отличие от кремниевого данный диод не имеет процесса обратного восстановления как такового, за счет чего динамические потери в нем значительно меньше. Более того, динамические потери в IGBT также снижены в связи с отсутствием выброса тока обратного восстановления. Как видно на рис. 15, потери на включение Eon в транзисторе сокращены на 38%. Это делает возможным увеличение частоты переключения для данного модуля (до порядка 2 кГц). В случае же если необходима еще более высокая частота и меньшие потери, то отличным выбором будет Full-SiC-модуль.

Сравнение осциллограмм включения Si-, гибридного SiC- и Full-SiC-модулей (Vcc =1800 В, Ic = 600 А, Tj =+150 °C, Ls = 65 нГн)

Рис. 15. Сравнение осциллограмм включения Si-, гибридного SiC- и Full-SiC-модулей (Vcc =1800 В, Ic = 600 А, Tj =+150 °C, Ls = 65 нГн)

Кроме существующих решений на базе карбида кремния, «Мицубиси Электрик» ведет активную разработку новых SiC-чипов для дальнейшего улучшения параметров силовых модулей. Одно из направлений исследований — технология объединения кристалла обратного диода Шоттки с MOSFET-структурой. Обычно антипараллельный диод используется для предотвращения протекания обратного тока через паразитный диод MOSFET-структуры, что позволяет избежать появления в ней дефектов упаковки. В следующих поколениях SiC-модулей диоды Шоттки будут интегрированы непосредственно в SiC MOSFET-транзистор (рис. 16). Помимо отсутствия дефектов упаковки, такое решение снижает и динамические потери [11, 12].

Структура классического MOSFET-чипа и MOSFET со встроенным SBD

Рис. 16. Структура классического MOSFET-чипа и MOSFET со встроенным SBD

Технология встроенного в транзистор диода Шоттки используется и в прототипе Full-SiC-модуля на 6,5 кВ [13]. Данный концепт выполнен в корпусе HV100 (рис. 17) и имеет номинальный ток 400 А. Как видно на рис. 18, динамические потери в этом модуле составляют лишь 1/10 от аналогичного кремниевого IGBT-модуля. Это дает SiC-модулям на 6,5 кВ огромный потенциал в применениях с высокой частотой переключения.

Full-SiC-модуль на 6500 В в корпусе HV100 с изоляцией 10,2 кВ

Рис. 17. Full-SiC-модуль на 6500 В в корпусе HV100 с изоляцией 10,2 кВ

Сравнение динамических потерь в Si-IGBT (+150 °C), SiC-MOSFET (+175 °C) и SiC-MOSFET со встроенным SBD (+175 °C)

Рис. 18. Сравнение динамических потерь в Si-IGBT (+150 °C), SiC-MOSFET (+175 °C) и SiC-MOSFET со встроенным SBD (+175 °C)

 

Вывод

В статье показаны новейшие силовые модули компании «Мицубиси Электрик» на основе карбида кремния в широком диапазоне блокирующих напряжений и номинальных токов, рассчитанные на применения в большом спектре мощностей. Описаны основные характеристики новейших поколений SiC, а также технологии, используемые при создании карбид-кремниевых кристаллов. Преобразователи на базе SiC обеспечивают более высокую эффективность, а также лучшие массогабаритные показатели.

Литература
  1. Mitsubishi Electric to Launch N-series 1200 V SiC-MOSFET. Mitsubishi Electric Press Release No. 3361. Japan, 2020.
  2. Толстопятов В. А. «Мицубиси Электрик» запускает производство дискретных SiC-дио­дов и транзисторов в корпусах TO-247 // Силовая электроника. 2020. №.6
  3. Mitsubishi Electric to Launch 4-terminal N-series 1200V SiC-MOSFETs. Mitsubishi Electric Press Release No. 3382. Japan, 2020.
  4. Mitsubishi Electric to Launch 1200V SiC Schottky Barrier Diode. Mitsubishi Electric Press Release No. 3272. Japan, 2019.
  5. Толстопятов В. А., Солтау Н., Таль Э. Новые карбид-кремниевые модули на кристаллах второго поколения // Силовая электроника. 2019. № 4.
  6. Soltau N., Thal E., Matsuoka T. The Next Generation of SiC Power Modules // Bodo’s Power Systems. September 2019.
  7. Sato K., Kato H., Fukushima T. Development of SiC Applied Traction System for Shinkansen High-speed Train. International Power Electronics Conference (IPEC-Niigata, ECCE Asia, 2018). Niigata, 2018.
  8. Helsper M., Ocklenburg M. SiC MOSFET Based Auxiliary Power Supply for Rail Vehicles. 20th European Conference on Power Electronics and Applications (EPE’18 ECCE Europe). Riga, 2018.
  9. Wu D., Xiao C., Zhang H., Liang W. Development of auxiliary converter based on 1700V/325A full SiC MOSFET for urban rail transit vehicles. IEEE Transportation Electrification Conference and Expo, Asia-Pacific (ITEC Asia-Pacific). Harbin, 2017.
  10. Mitsubishi Electric Installs Railcar Traction System with All-SiC Power Modules on Shinkasen Bullet Train. Mitsubishi Electric Press Release No. 2942. Japan, 2015.
  11. Tominaga T., Hino S., Mitsui Y., Nakashima J., Kawahara K., Tomohisa S., Miura N. Superior Switching Characteristics of SiCMOSFET Embedding SBD. 31st International Symposium on Power Semiconductor Devices & ICs. Shanghai, China, 2019.
  12. Murakami T., Sadamatsu K., Imaizumi M., Suekawa E., Hino S. Comparative study of electrical characteristics between conventional and SBD-embedded MOSFETs for next generation 3.3 kV SiC modules. International Exhibition and Conference for Power Electronics, Intelligent Motion, Renewable Energy and Energy Management (PCIM). Germany, 2020.
  13. Nakashima J. et. al. 6.5-kV Full-SiC Power Module (HV100) with SBD-embedded SiC-MOSFETs. International Exhibition and Conference for Power Electronics, Intelligent Motion, Renewable Energy and Energy Management (PCIM Europe). Germany, 2018.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.

hentao pornnporn.com telugu chatting west indies open sex youpornhindi.com first night xxnx maja mallika tamil dirty story xxxfiretube.com teen xxnx xxxxu indianpornsearch.com pooja kumar sex 喉奥性感イラマ痴女 浜崎真緒 javsextube.com 君嶋真由 i love porn sexxxymovs.com mallusexvideos tomcat doujinshi bluhentai.com tiny boobs giant tits history sequel black dog hentai mobhentai.com hentai onee chan jammu blue film indiananalfuck.com indian incest xvideos mugen fc2 javwhores.mobi 巨乳 あげ افلام نيك مترجم cyberpornvideos.com طيذ momteachessex indianxxxonline.com house wife x videos 君嶋真由 freejavonline.mobi クローゼット 寝取られ sexx tamil indianfuckass.com bengali milf mia khalifa hard fuck pelisporno.org newsexstory