Силові модулі з карбіду кремнію

Карбід кремнію (SiC) — це інноваційний матеріал для застосування в силових системах, який дозволяє підвищити ККД системи, одночасно зменшивши її розміри, вагу та габарити. Маючи втричі вищу теплопровідність, ніж кремній, та менші втрати при перемиканні, він забезпечує можливість роботи при вищих робочих температурах і більших напругах.

Модулі SiC випускаються у форматі «2-в-1», що спрощує конфігурацію напівмостових схем, завдяки чому вони ідеально підходять для тягових інверторів гібридних (HEV) та електромобілів (EV) або для будь-яких завдань, що передбачають тривалі періоди максимального споживання струму.

Висока ефективність

Силові прилади на основі карбіду кремнію (SiC) є одним із найкращих способів мінімізувати втрати в системі у високопотужних застосуваннях. Їхня широка заборонена зона дозволяє використовувати вищі частоти комутації та напруги, що сприяє підвищенню ККД та зменшенню розмірів пасивних компонентів. Крім того, SiC забезпечує більш надійну роботу в складних умовах експлуатації, оскільки має втричі вищу теплопровідність, ніж кремній.

Дискретні силові прилади на SiC можуть застосовуватися в найрізноманітніших промислових сферах, проте іноді для критично важливих систем, таких як джерела безперебійного живлення та зарядні пристрої для акумуляторів, потрібні вищі номінальні значення струму. Компанія Mitsubishi Electric представила силові модулі 2-го покоління напругою 1200 В, які в зручному корпусі забезпечують переваги технології SiC для застосувань із підвищеними вимогами до сили струму, що перевищують можливості дискретних пристроїв.

Ці модулі використовують MOSFET на основі SiC з напівмостовою структурою та підходять для різних топологій перетворювачів, таких як перетворювачі постійного струму в постійний (DC/DC), двонаправлені перетворювачі та інвертори змінного струму в змінний (AC/AC). У порівнянні зі звичайними кремнієвими пристроями ці модулі дозволяють зменшити втрати на перемиканні на 70% і, як наслідок, заощадити енергію.

Ці модулі мають високу надійність і відповідають стандартам якості для автомобільної та промислової галузей, зокрема проходять випробування на вигоряння затворів на рівні пластин та випробування на навантаження на сток за методом HTRB для зниження рівня випадкових відмов; номінальні параметри короткого замикання роблять їх придатними для застосувань, де безпека має критичне значення; їхня міцна конструкція забезпечує роботу при температурах до 230 °C з високими напругами пробою та швидким часом відновлення, що допомагає зменшити ризики, такі як лавинні ефекти або пробій.

SiC є ідеальним матеріалом для приводів двигунів, оскільки він здатний витримувати вищі температури, ніж традиційні кремнієві пристрої, і водночас забезпечує зростання щільності потужності та покращення експлуатаційних характеристик з плином часу. Крім того, стійкість SiC до теплового зносу забезпечує підвищену ефективність протягом тривалого часу.

Повносиліциєвий напівпровідниковий модуль Mitsubishi Electric напругою 6,5 кВ досяг провідних у світі показників щільності потужності. Це може стати основою для створення більш компактного та енергоефективного силового обладнання для систем тяги залізничних вагонів або мереж передачі та розподілу електроенергії; крім того, він оснащений децентралізованою системою керування, що дозволяє об’єднувати декілька модулів в один більший силовий модуль, спрощуючи проектування системи.

Низький струм витоку

Силові напівпровідники з карбіду кремнію (SiC) набувають дедалі більшої популярності завдяки своїм енергозберігаючим властивостям у виробах силової електроніки. Прилади на основі SiC є набагато енергоефективнішими за їхні кремнієві аналоги завдяки ширшій ширині забороненої зони, що вимагає менше енергії для переходу електронів із валентної зони в зону провідності; крім того, вони працюють при вищих температурах і напругах із меншими втратами на перемикання.

Силові модулі на основі SiC мають чимало переваг, що робить їх ідеальним рішенням для застосувань, які вимагають підвищеної ефективності, вищих швидкостей комутації та підвищеної надійності, таких як інвертори, зарядні пристрої для електромобілів, сонячні інвертори та приводи двигунів. На жаль, висока температура, що в них виникає, може призвести до збільшення навантаження на паяне з'єднання між мікросхемою та підкладкою; з часом це повторюване навантаження може призвести до його зношення та суттєво скоротити термін експлуатації.

Компанія Vincotech розробила інноваційне рішення, яке значно підвищує стійкість пристроїв на основі карбіду кремнію (SiC) — зокрема, тих, що виробляє сама Vincotech — до циклічних змін напруги. Завдяки застосуванню спеціального паяного з’єднання між мікросхемою та підкладкою модулі тепер можна випробовувати при вищих температурах та в умовах більш жорстких експлуатаційних режимів без шкоди для продуктивності чи надійності.

Платформа силових модулів на основі SiC від компанії складається з модулів на 3300 В, оснащених напівмостовими MOSFET-транзисторами на SiC зі вбудованими драйверами затвора та вимірювальними схемами, легкими основами з AlSiC для забезпечення механічної стійкості, здатністю до безперервної роботи при температурі переходу 175 °C та підкладкою з нітриду кремнію з високою теплопровідністю, що забезпечує чудові електричні характеристики в суворих умовах експлуатації.

Ці нові модулі випускаються у привабливому корпусі розміром 10 мм × 5 мм, що робить їх придатними для застосування в умовах обмеженого простору, наприклад, в автомобільній та авіакосмічній галузях, а завдяки використанню відповідної технології підбору та корпусування вони можуть легко стати частиною інтегрованої системи.

Наразі компанія Imperialx використовує ці нові модулі в різних прототипах перетворювачів потужності, щоб продемонструвати їхню здатність забезпечувати швидше перемикання, вищу ефективність та зниження загальної вартості системи в системах перетворення потужності. Вони оснащені регульованими механізмами захисту від небезпечних умов, що робить їх чудовим рішенням для інженерних застосувань, які потребують швидкого впровадження перетворювачів зменшеного масштабу, наприклад, у навчальних або дослідницьких цілях.

Висока напруга

Кремній є основним матеріалом для силових напівпровідників, але інші матеріали з кращими властивостями, такі як нітрид галію та карбід кремнію (SiC), забезпечують вищу ефективність при вищих температурах і напругах, що дозволяє досягти більшої потужності в компактніших корпусах із меншими вимогами до охолодження для енергоефективних систем з інтегрованими силовими елементами. Крім того, під час перетворення втрачається менше тепла, що зменшує потреби в охолодженні та водночас робить систему в цілому набагато енергоефективнішою.

SiC забезпечує в 10 разів вищу діелектричну міцність, ніж кремній, що дозволяє пристроям працювати при вищих напругах без пошкоджень та надмірного нагрівання — це ідеально підходить для застосування в зарядній інфраструктурі та «розумних» енергомережах, що вимагають високих рівнів напруги.

Потужні модулі SiC напругою 10 кВ від Imperialx відрізняються меншою індуктивністю контуру комутації, ніж традиційні кремнієві MOSFET на основі Si, та мають низькі коефіцієнти ємності Міллера, що забезпечує вищу швидкість перемикання та підвищену ефективність у конструкціях. Крім того, ці модулі були спеціально розроблені для простого паралельного підключення, а також для сумісності зі стандартними схемами керування затвором.

Потужні модулі Imperialx 10 кВ на основі SiC (PowerModules) забезпечують зручний інтерфейс між потужним модулем і системою, що дозволяє знизити загальну вартість системи. Крім того, їхній корпус підвищує надійність і зменшує втрати потужності при підвищених температурах, що також сприяє зниженню загальних витрат на систему.

Завдяки поєднанню корпусів, що відповідають галузевим стандартам, передових технологій монтажу та новітніх SiC-мікросхем, що дозволяє створювати SiC-модулі потужності, повністю оптимізовані для використання всіх їхніх переваг, SiC-модулі можуть застосовуватися в широкому спектрі областей, таких як зарядні станції для електромобілів, бортові зарядні пристрої, перетворювачі постійного струму (DC/DC), електронні компресори, паливні елементи, медичні джерела живлення та фотоелектричні інвертори.

Силові модулі ACEPACK DRIVE від Imperialx спеціально розроблені для виконання складних завдань, пов’язаних із зарядкою та керуванням електричними транспортними засобами (EV). Їхня міцна та надійна конструкція витримує транспортні вібрації, а також екстремальні температурні умови навколишнього середовища. Внутрішні пластини для вирівнювання поля та високотемпературні резистори PDIV забезпечують безпечну роботу як із короткими, так і з довгими з'єднаннями шин — це ідеальні характеристики для швидкого прототипування високоефективних перетворювачів потужності, а також для інших складних дослідницьких застосувань.

Невелика вага

Силові модулі на основі карбіду кремнію (SiC) значно менші, легші та компактніші за свої кремнієві (Si) аналоги, що дає можливість розробникам створювати системи з меншою загальною вартістю матеріалів (BOM) та нижчими витратами на складання.

Карбід кремнію може забезпечити максимальну ефективність лише в разі його інтеграції в ретельно спроектований силовий модуль. Щоб досягти максимальної продуктивності таких модулів, їхні компоненти мають бути спроектовані таким чином, щоб мати мінімальний тепловий опір — це дозволяє силовому модулю повністю реалізувати свій потенціал, уникнувши при цьому передчасного виходу з ладу внаслідок електротермічного старіння.

Силові модулі є основою систем перетворення електричної енергії. Вони застосовуються в найрізноманітніших сферах — від інверторів та зарядних станцій для електромобілів, через промислові та авіаційні системи електропостачання, аж до військових застосувань. Силові напівпровідникові прилади на основі карбіду кремнію (SiC) є чудовим вибором, оскільки забезпечують високу ефективність, при цьому залишаючись доступними за ціною, легкими та не вимагаючи значних витрат на технічне обслуговування.

Пристрої на основі карбіду кремнію не тільки забезпечують вищу ефективність та нижчі витрати на комплектуючі, але й можуть працювати на вищих частотах перемикання, ніж їхні кремнієві аналоги, що надає інженерам більше можливостей для розробки рішень із більшою щільністю потужності, меншими втратами на провідність, швидшою реакцією на перехідні процеси та підвищеною надійністю.

Модулі живлення ACEPACK DRIVE оснащені системою прямого рідинного охолодження з високоефективними MOSFET на основі карбіду кремнію та драйверами затворів у корпусі IGBT половинного розміру, що полегшує компонування, монтаж та забезпечує високий рівень надійності. Інженери можуть скористатися цією перевагою, щоб з більшою легкістю досягти вищої потужності в меншому просторі, одночасно спрощуючи процедури компонування та монтажу для підвищення вихідної потужності.

Модуль живлення ACEPACK DRIVE відрізняється чудовими температурними характеристиками завдяки тепловому блоку, який сприяє зниженню струму у включеному стані та струму витоку на затворі на 20% або більше, що забезпечує вищу щільність потужності, меншу тепловіддачу та підвищену надійність, водночас відповідаючи високим вимогам до терміну служби.

Платформа силових MOSFET на основі карбіду кремнію SEMITOP E1/E2 включає кілька поколінь мікросхем у різних топологіях, таких як «sixpack», «half-bridge» та «H-bridge»; це робить серію SEMITOP одним із найсучасніших рішень у сфері силових модулів на основі SiC на ринку. Крім того, один із коефіцієнтів залежності RDS(on) від температури цієї серії є одним із найнижчих серед доступних на ринку, що робить цю серію однією з найсучасніших серед пропонованих модулів потужності.