Силициево-карбидни захранващи модули

Силициевият карбид (SiC) е нов иновативен материал за приложения в областта на електрозахранването, който обещава да повиши ефективността на системата, като същевременно намали нейния размер, тегло и форм-фактор. Три пъти по-топлопроводим от силиция и с по-ниски загуби при превключване, той позволява по-високи работни температури и по-големи напрежения.

SiC модулите се предлагат във форми "2 в 1", които улесняват конфигурирането на полумостови вериги, което ги прави идеални за HEV/EV тягови инвертори или за всякакви мисии с дълги периоди на максимално търсене на ток.

Висока ефективност

Силовите устройства от силициев карбид (SiC) са един от най-добрите начини за минимизиране на системните загуби при приложения с висока мощност. Широката им лента на пропускане позволява по-високи честоти на превключване и напрежения за повишаване на ефективността, като същевременно се намаляват размерите на пасивните компоненти. SiC се характеризира и с по-стабилна работа в трудни условия, тъй като е три пъти по-топлопроводим от силиция.

Дискретните SiC захранващи устройства могат да се използват в широк спектър от индустриални приложения, но понякога критичните системи, като непрекъсваеми захранвания и зарядни устройства за батерии, се нуждаят от по-високи стойности на тока. Mitsubishi Electric представи 1200 V захранващи модули от второ поколение, които предоставят предимствата на пълноценната SiC технология за приложения с по-големи изисквания за ток, отколкото могат да осигурят дискретните устройства, в лесен за използване пакет.

Тези модули използват SiC MOSFET с полумостови структури и са подходящи за различни топологии на преобразуватели, като DC/DC, двупосочни и AC/AC инвертори. В сравнение с конвенционалните силициеви устройства тези модули могат да намалят загубите при превключване с до 70% и в резултат да спестят енергия.

Тези модули са конструирани с характеристики за висока надеждност, за да отговарят на стандартите за качество в автомобилостроенето и промишлеността, включително тестване за изгаряне на гейта на ниво вафла и стрес при източване HTRB за намаляване на честотата на външни повреди; номиналните стойности на късо съединение ги правят подходящи за критични за безопасността приложения; тяхната здрава конструкция позволява работа при температура до 230 градуса по Целзий с високи пробивни напрежения и бързо време за възстановяване, които помагат за намаляване на рисковете, като например лавини или пробиви.

SiC е идеален материал за моторни задвижвания, тъй като издържа на по-високи температури от традиционните силициеви устройства, като същевременно увеличава плътността на мощността и подобрява производителността с течение на времето. Освен това устойчивостта на SiC на деградация от топлина означава повишена ефективност за дълъг период от време.

Силовият полупроводников модул на Mitsubishi Electric с напрежение 6,5 kV и пълно покритие от SiC е постигнал водещи в света нива на плътност на мощността. Това би могло да даде възможност за по-малки и по-енергийно ефективни захранващи устройства за тягови системи на железопътни вагони или мрежи за пренос и разпределение на електроенергия; освен това той се отличава с децентрализирано управление, което позволява комбинирането на няколко модула в един по-голям захранващ модул за по-лесно проектиране на системи.

Нисък ток на утечка

Силовите полупроводници от силициев карбид (SiC) стават все по-популярни поради способността им да пестят енергия в продуктите на силовата електроника. Устройствата от SiC са много по-енергийно ефективни от своите силициеви аналози поради по-широката лента на пропускане, която изисква по-малко енергия за придвижване на електроните от валентната към проводящата лента, и работят при по-високи температури и напрежения с намалени загуби при превключване.

Силовите модули на базата на SiC предлагат много предимства, които ги правят идеалното решение за приложения, изискващи повишена ефективност, по-бързи скорости на превключване и повишена надеждност, като инвертори, зарядни устройства за електрически превозни средства, соларни инвертори и моторни задвижвания. За съжаление, високата им температура може да доведе до повишено напрежение в спойката между чипа и подложката; с течение на времето това повтарящо се напрежение може да я влоши и да съкрати значително живота им.

Vincotech предлага иновативно решение, което значително увеличава възможностите за циклично захранване на SiC устройства, като например тези, произведени от самата Vincotech. Чрез добавяне на специална спойка между чипа и подложката модулите вече могат да се тестват при по-високи температури и по-взискателни профили на задачите, без да се прави компромис с производителността или надеждността.

Платформата за захранващи модули SiC на компанията се състои от 3300 V модули с полумостови SiC MOSFET с интегрирани драйвери на гейта и измервателни схеми, леки основи от AlSiC за механична стабилност, възможност за работа при 175 градуса по Целзий при непрекъсната температура на съединението и подложка от силициев нитрид с висока топлопроводимост за осигуряване на отлични електрически характеристики при тежки условия.

Тези нови модули са опаковани в атрактивна опаковка с размери 10 x 5 мм, която ги прави подходящи за приложения с ограничено пространство, като например автомобилната и космическата индустрия, а с помощта на технологията за съчетаване и опаковане могат лесно да станат част от интегрирана система.

Понастоящем Imperialx използва тези нови модули в различни прототипи на преобразуватели на енергия, за да демонстрира способността им да осигуряват по-бързо превключване, по-висока ефективност и намалени общи системни разходи в приложения за преобразуване на енергия. Те разполагат с регулируеми защитни механизми за предпазване от опасни условия - което ги прави отлично решение за инженерни приложения, нуждаещи се от бърза реализация на понижен преобразувател, като например за обучение или изследвания.

Високо напрежение

Силицият е основният материал за силови полупроводници, но други материали с по-добри свойства, като галиев нитрид и силициев карбид (SiC), предлагат по-добра ефективност при по-високи температури и напрежения, което позволява по-голям капацитет за обработка на енергия в по-малки пространства с намалени изисквания за охлаждане за енергийно ефективни интегрирани системи. Освен това по време на преобразуването се губи по-малко топлина, като по този начин се намаляват изискванията за охлаждане, като същевременно всичко е много по-енергийно ефективно като цяло.

SiC предлага 10 пъти по-голяма диелектрична якост от силиция, което позволява на устройствата да работят при по-високи напрежения, без да се повреждат или да създават прекомерна топлина - идеално за приложения в инфраструктурата за зареждане и интелигентните мрежи, изискващи високи нива на напрежение.

10-киловолтовите SiC захранващи модули на Imperialx се характеризират с по-ниска индуктивност на комутационния контур в сравнение с традиционните Si силициеви MOSFET и се отличават с ниски съотношения на капацитета на Милър за по-големи скорости на превключване и повишена ефективност в проектите. Освен това тези модули са специално разработени за лесно паралелно свързване, както и за съвместимост със стандартни проекти за задвижване на порта.

Моделите Imperialx 10-kV SiC PowerModules предлагат атрактивен интерфейс между захранващ модул и система, който може да намали общите разходи за системата. Освен това тяхното капсулиране повишава надеждността и намалява загубите на мощност при повишени температури, като по този начин спомага за намаляване на общите разходи на системата.

Благодарение на стандартните за индустрията корпуси, сложните технологии за опаковане и най-новите SiC чипове, комбинирани заедно за производството на SiC захранващи модули, които са напълно оптимизирани, за да се възползват от всички техни предимства, SiC модулите могат да се използват в широк спектър от приложения, като например зарядни станции за електрически превозни средства, бордови зарядни устройства, DC/DC преобразуватели, електронни компресори, горивни клетки, медицински захранвания, фотоволтаични инвертори.

Захранващите модули ACEPACK DRIVE на Imperialx са специално проектирани да отговарят на взискателните профили на мисиите, свързани със зареждането и задвижването на електрически превозни средства (EV). Тяхната здрава, но надеждна конструкция е подходяща за транспортни вибрации, както и за екстремни температурни условия на околната среда, с вътрешни пластини за класификация на полето и високотемпературни PDIV резистори, които осигуряват безопасна работа с къси и дълги връзки на шината - идеални характеристики за бързо прототипиране на високопроизводителни преобразуватели на мощност, както и за други взискателни изследователски приложения.

Ниско тегло

Силовите модули SiC са много по-малки, по-леки и по-компактни от своите силициеви (Si) аналози, което позволява на проектантите да създават системи с по-ниски общи разходи за материали и монтаж.

Силициевият карбид може да осигури максимална полза, когато е интегриран в захранващ модул, който е внимателно проектиран. За да се постигне максимална производителност на такива модули, компонентите му трябва да бъдат проектирани така, че да имат минимално термично съпротивление - това позволява на захранващия модул да постигне пълния си потенциал, като същевременно се избягва ранна повреда поради електротермично стареене.

Силовите модули са в основата на системите за преобразуване на електрическа енергия. Те се използват в редица приложения - от инвертори и зарядни станции за електрически превозни средства, през промишлени и авиационни системи за захранване, до военни приложения. Силовите полупроводникови устройства SiC са чудесен избор, тъй като предлагат превъзходна ефективност, като същевременно са достъпни, леки и с ниски изисквания за поддръжка.

Устройствата от силициев карбид предлагат не само по-добра ефективност и по-ниски заводски разходи, но могат да работят и при по-високи честоти на превключване от силициевите си аналози - това дава на инженерите повече възможности за проектиране на решения с по-голяма плътност на мощността, по-ниски загуби при проводимост, по-бърза преходна реакция и устойчивост.

Захранващите модули ACEPACK DRIVE се характеризират с решение за директно течно охлаждане с високопроизводителни MOSFET-и от силициев карбид и драйвери на гейта в IGBT пакет с половин размер за по-лесно оформление, монтаж и високи нива на надеждност. Инженерите могат да се възползват от това, за да постигнат по-голяма мощност на по-малко място с по-голяма лекота, като същевременно опростят процедурите за оформление и монтаж за увеличаване на производителността.

Захранващият модул ACEPACK DRIVE може да се похвали с отлични температурни характеристики благодарение на своя термичен стек, който спомага за понижаване на тока на включване и изтичане на гейта с 20% или повече, за по-висока плътност на мощността, по-ниско разсейване на топлината и подобрена надеждност, като същевременно отговаря на високите изисквания за продължителност на живота.

Платформата SEMITOP E1/E2 за захранващи MOSFET от силициев карбид включва множество поколения чипове с различни топологии, като sixpack, half-bridge и H-bridge; това прави серията SEMITOP едно от най-модерните решения за SiC захранващи модули на пазара. Освен това един от нейните температурни коефициенти RDS(on) се нарежда сред най-ниските, предлагани на пазара, което прави тази серия сред най-усъвършенстваните предлагани захранващи модули.