Napájacie moduly z karbidu kremíka

Karbid kremíka (SiC) je inovatívny nový materiál pre výkonové aplikácie, ktorý sľubuje zvýšenie účinnosti systému pri súčasnom znížení jeho rozmerov, hmotnosti a veľkosti. Vďaka trojnásobne vyššej tepelnej vodivosti v porovnaní s kremíkom a nižším spínacím stratám umožňuje dosahovať vyššie prevádzkové teploty a väčšie napätia.

Moduly SiC sa dodávajú vo verziách typu „2 v 1“, ktoré zjednodušujú konfiguráciu obvodov s polomostom, vďaka čomu sú ideálne pre trakčné meniče v hybridných (HEV) a elektrických (EV) vozidlách alebo pre akékoľvek aplikácie s dlhými úsekmi maximálneho odberu prúdu.

Vysoká účinnosť

Výkonové prvky z karbidu kremíka (SiC) predstavujú jeden z najlepších spôsobov, ako minimalizovať systémové straty vo vysokovýkonných aplikáciách. Ich široká energetická medzera umožňuje vyššie spínacie frekvencie a napätia, čo vedie k zvýšeniu účinnosti a zároveň k zmenšeniu rozmerov pasívnych komponentov. SiC sa vyznačuje aj spoľahlivejšou prevádzkou v náročných prostrediach, keďže má trojnásobne vyššiu tepelnú vodivosť ako kremík.

Diskrétne výkonové prvky na báze SiC sa dajú využiť v širokej škále priemyselných aplikácií, avšak v niektorých kritických systémoch, ako sú zdroje nepretržitého napájania a nabíjačky batérií, sú niekedy potrebné vyššie menovité prúdy. Spoločnosť Mitsubishi Electric uviedla na trh výkonové moduly 2. generácie s napätím 1200 V, ktoré v praktickom a jednoducho použiteľnom balení prinášajú výhody technológie založenej výlučne na SiC do aplikácií s vyššími požiadavkami na prúd, ktoré presahujú možnosti diskrétnych zariadení.

Tieto moduly využívajú SiC MOSFETy s polomostovou konštrukciou a sú vhodné pre rôzne topológie meničov, ako sú meniče DC/DC, obojsmerné meniče a meniče AC/AC. V porovnaní s bežnými kremíkovými zariadeniami dokážu tieto moduly znížiť spínacie straty až o 70%, čím prispievajú k úspore energie.

Tieto moduly sú skonštruované s ohľadom na vysokú spoľahlivosť, aby spĺňali automobilové a priemyselné normy kvality, vrátane testovania vypaľovania hradiel na úrovni čipov a záťažového testovania vývodu metódou HTRB s cieľom znížiť mieru zlyhania spôsobenú vonkajšími vplyvmi; vďaka parametrom krátkeho skratu sú vhodné pre aplikácie kritické z hľadiska bezpečnosti; ich robustná konštrukcia umožňuje prevádzku až do 230 °C s vysokými prierazovými napätiami a rýchlymi dobami zotavenia, čo pomáha zmierniť riziká, ako sú lavínové efekty alebo priechodné zlyhania.

SiC je ideálny materiál pre pohonné systémy motorov, keďže je schopný odolávať vyšším teplotám ako tradičné kremíkové zariadenia a zároveň zvyšuje hustotu výkonu a v priebehu času zlepšuje výkonnosť. Okrem toho odolnosť SiC voči tepelnej degradácii znamená vyššiu účinnosť aj počas dlhého časového obdobia.

Výkonový polovodičový modul spoločnosti Mitsubishi Electric s napätím 6,5 kV, vyrobený výlučne z SiC, dosiahol svetovo najvyššiu úroveň hustoty výkonu. To by mohlo umožniť vývoj menších a energeticky úspornejších zariadení pre trakčné systémy železničných vozňov alebo pre siete prenosu a distribúcie elektrickej energie; navyše je vybavený decentralizovaným riadením, ktoré umožňuje kombinovať viacero modulov do jedného väčšieho výkonového modulu, čím sa zjednodušuje návrh systému.

Nízky únikový prúd

Výkonové polovodiče z karbidu kremíka (SiC) sa tešia čoraz väčšej obľube vďaka svojim úsporným vlastnostiam v zariadeniach výkonovej elektroniky. Zariadenia na báze SiC sú oveľa energeticky úspornejšie ako ich kremíkové ekvivalenty vďaka širšej šírke zakázaného pásma, vďaka čomu je potrebné menej energie na presun elektrónov z valenčného pásma do vodivého pásma, a zároveň pracujú pri vyšších teplotách a napätiach so zníženými spínacími stratami.

Výkonové moduly na báze SiC ponúkajú mnoho výhod, vďaka ktorým sú ideálnym riešením pre aplikácie vyžadujúce vyššiu účinnosť, rýchlejšie spínacie rýchlosti a zvýšenú spoľahlivosť, ako sú napríklad meniče, nabíjačky elektrických vozidiel, solárne meniče a pohonné jednotky motorov. Bohužiaľ, ich vysoká prevádzková teplota môže viesť k zvýšenému namáhaniu spájky medzi čipom a substrátom; v priebehu času by toto opakované namáhanie mohlo spôsobiť jej poškodenie a výrazne skrátiť ich životnosť.

Spoločnosť Vincotech prišla s inovatívnym riešením, ktoré výrazne zvyšuje odolnosť zariadení na báze SiC voči opakovanému zapínaniu a vypínaniu, ako sú napríklad zariadenia vyrábané samotnou spoločnosťou Vincotech. Vďaka pridaniu špeciálneho spájkovaného spoja medzi čipom a substrátom je teraz možné testovať moduly pri vyšších teplotách a s náročnejšími prevádzkovými profilmi bez toho, aby došlo k zníženiu výkonu alebo spoľahlivosti.

Platforma výkonových modulov SiC od tejto spoločnosti pozostáva z modulov s napätím 3300 V, ktoré sú vybavené polomostovými SiC MOSFET-mi s integrovanými ovládačmi hradiel a meracími obvodmi, ľahkými základňami z AlSiC zabezpečujúcimi mechanickú stabilitu, schopnosťou nepretržitej prevádzky pri teplote spojenia 175 °C a substrátom z nitridu kremíka s vysokou tepelnou vodivosťou, čím poskytujú vynikajúci elektrický výkon v náročných podmienkach.

Tieto nové moduly sú dodávané v atraktívnom puzdre s rozmermi 10 mm × 5 mm, vďaka čomu sú vhodné pre aplikácie s obmedzeným priestorom, ako je automobilový a letecký priemysel, a vďaka použitej technológii zosúladenia a balenia sa môžu ľahko stať súčasťou integrovaného systému.

Spoločnosť Imperialx v súčasnosti využíva tieto nové moduly v rôznych prototypoch meničov napätia s cieľom demonštrovať ich schopnosť zabezpečiť rýchlejšie spínanie, vyššiu účinnosť a zníženie celkových nákladov systému v aplikáciách na konverziu energie. Sú vybavené nastaviteľnými ochrannými mechanizmami na ochranu pred nebezpečnými situáciami, vďaka čomu predstavujú vynikajúce riešenie pre technické aplikácie, ktoré vyžadujú rýchlu implementáciu meničov v menšom meradle, ako napríklad vo vzdelávaní alebo vo výskume.

Vysoké napätie

Kremík je najčastejšie používaným materiálom pre výkonové polovodiče, avšak iné materiály s vynikajúcimi vlastnosťami, ako napríklad nitrid gália a karbid kremíka (SiC), ponúkajú vyššiu účinnosť pri vyšších teplotách a napätiach, čo umožňuje dosiahnuť väčšiu výkonovú kapacitu na menšom priestore so zníženými požiadavkami na chladenie v energeticky úsporných systémoch s integrovaným výkonom. Okrem toho dochádza počas konverzie k menším tepelným stratám, čím sa znižujú požiadavky na chladenie a zároveň sa celková energetická účinnosť výrazne zvyšuje.

SiC ponúka 10-násobne vyššiu dielektrickú pevnosť ako kremík, čo umožňuje zariadeniam pracovať pri vyšších napätiach bez toho, aby došlo k ich poškodeniu alebo k nadmernému zahrievaniu – je to ideálne pre aplikácie v nabíjacej infraštruktúre a inteligentných sieťach, ktoré vyžadujú vysoké napäťové úrovne.

10-kV výkonové moduly SiC od spoločnosti Imperialx sa vyznačujú nižšou indukčnosťou komutačnej slučky v porovnaní s tradičnými kremíkovými MOSFETmi a majú nízke hodnoty Millerovej kapacity, čo umožňuje dosiahnuť vyššiu rýchlosť spínania a zvýšiť účinnosť v konštrukciách. Okrem toho boli tieto moduly špeciálne navrhnuté tak, aby sa dali ľahko zapájať do paralelného zapojenia a aby boli kompatibilné so štandardnými konštrukciami riadenia brány.

Výkonové moduly Imperialx 10 kV SiC ponúkajú atraktívne rozhranie medzi výkonovým modulom a systémom, ktoré môže znížiť celkové náklady na systém. Okrem toho ich kryt zvyšuje spoľahlivosť a znižuje straty výkonu pri zvýšených teplotách, čím prispieva k zníženiu celkových nákladov na systém.

Vďaka kombinácii štandardných puzdier, sofistikovaných technológií montáže a najnovších čipov SiC, z ktorých vznikajú výkonové moduly SiC plne optimalizované na využitie všetkých ich výhod, je možné moduly SiC využiť v širokej škále aplikácií, ako sú nabíjacie stanice pre elektrické vozidlá, palubné nabíjačky, DC/DC meničov, elektrických kompresorov, palivových článkov, lekárskych napájacích zdrojov a fotovoltaických meničov.

Výkonové moduly ACEPACK DRIVE spoločnosti Imperialx sú špeciálne navrhnuté tak, aby spĺňali náročné prevádzkové požiadavky spojené s nabíjaním a ovládaním elektrických vozidiel (EV). Ich robustná a zároveň spoľahlivá konštrukcia je odolná voči vibráciám pri preprave aj extrémnym teplotným podmienkam v okolí. Vnútorné dosky na vyrovnávanie poľa a vysokoteplotné rezistory PDIV zabezpečujú bezpečnú prevádzku pri krátkych aj dlhých pripojeniach zberníc – ideálne vlastnosti pre rýchle prototypovanie vysokovýkonných meničov energie, ako aj pre iné náročné výskumné aplikácie.

Nízka hmotnosť

Výkonové moduly SiC sú oveľa menšie, ľahšie a kompaktnejšie ako ich kremíkové (Si) ekvivalenty, čo umožňuje konštruktérom vytvárať systémy s nižšími celkovými nákladmi na materiál (BOM) a montáž.

Karbid kremíka dokáže priniesť maximálny prínos, ak je integrovaný do starostlivo navrhnutého výkonového modulu. Na dosiahnutie maximálneho výkonu takýchto modulov musia byť ich komponenty navrhnuté tak, aby mali minimálny tepelný odpor – to umožňuje výkonovému modulu dosiahnuť svoj plný potenciál a zároveň zabrániť predčasnej poruche spôsobenej elektrotermickým starnutím.

Výkonové moduly tvoria základ systémov na premenu elektrickej energie. Využívajú sa v širokej škále aplikácií – od meničov a nabíjacích staníc pre elektrické vozidlá cez priemyselné a letecké energetické systémy až po vojenské aplikácie. Výkonové polovodičové prvky na báze SiC predstavujú vynikajúcu voľbu, pretože ponúkajú vynikajúcu účinnosť a zároveň sú cenovo dostupné, ľahké a nenáročné na údržbu.

Zariadenia z karbidu kremíka nielenže ponúkajú vyššiu účinnosť a nižšie náklady na zoznam komponentov (BOM), ale môžu tiež pracovať pri vyšších spínacích frekvenciách ako ich kremíkové ekvivalenty – čo poskytuje inžinierom väčší priestor na navrhovanie riešení s vyššou hustotou výkonu, nižšími vodivými stratami, rýchlejšou prechodovou odozvou a väčšou odolnosťou.

Výkonové moduly ACEPACK DRIVE sú vybavené systémom priameho kvapalinového chladenia s vysokovýkonnými MOSFETmi z karbidu kremíka a ovládačmi brány v puzdre IGBT s polovičnou veľkosťou, čo uľahčuje rozmiestnenie, montáž a zaručuje vysokú spoľahlivosť. Inžinieri môžu túto výhodu využiť na dosiahnutie vyššieho výkonu na menšom priestore s väčšou ľahkosťou a zároveň zjednodušiť postupy rozmiestnenia a montáže s cieľom zvýšiť výstupný výkon.

Výkonový modul ACEPACK DRIVE sa vyznačuje vynikajúcimi teplotnými vlastnosťami vďaka svojmu tepelnému bloku, ktorý pomáha znížiť prúd v prevádzkovom stave a zátkový prúd o 20% alebo viac, čím zabezpečuje vyššiu hustotu výkonu, nižšie tepelné straty a vyššiu spoľahlivosť, pričom spĺňa náročné požiadavky na životnosť.

Platforma výkonových MOSFETov z karbidu kremíka SEMITOP E1/E2 zahŕňa viacero generácií čipov v rôznych topológiách, ako sú „sixpack“, polomost a H-most; vďaka tomu patrí séria SEMITOP medzi najpokročilejšie riešenia výkonových modulov z karbidu kremíka na trhu. Okrem toho patrí jeden z jej teplotných koeficientov RDS(on) medzi najnižšie dostupné na trhu, vďaka čomu táto séria patrí medzi najpokročilejšie ponúkané výkonové moduly.