Появление фотооптических инверторов (PV) и электромобилей (EV) обусловило растущие требования по повышению плотности мощности и эффективности силовых преобразователей. Карбид кремния (SiC) является основным кандидатом для решения этой задачи, поэтому он остается объектом растущего интереса в течение последнего десятилетия. Повышающий преобразователь является неотъемлемой частью большинства преобразователей систем PV и EV. В данной статье представлено новое поколение 1200 В/20 А SiC MOSFET, использованных в повышающем преобразователе мощностью 10 кВт, работающем в режиме жесткого переключения с интерливингом на частотах до 100 кГц. Дано сравнение тепловых параметров и эффективности с быстрым кремниевым H3 IGBT. В обоих случаях результаты показывают явное преимущество нового поколения SiC MOSFET.
Преобразователи мощности, разработанные с применением SiC-приборов, отличаются большей плотностью мощности благодаря более высокому блокирующему напряжению, низкому сопротивлению в открытом состоянии и лучшей теплопроводностью по сравнению с кремниевыми (Si) аналогами. Из доступных SiC-устройств, с учетом сравнения SiC JFET и SiC, N-канальные SiC MOSFET имеют наилучшие параметры совместимости для замены обычных кремниевых MOSFET или IGBT благодаря простой структуре, стандартной конструкции и низким потерям на управление.
В марте 2013 г. компания Cree выпустила для коммерческого применения следующее поколение SiC MOSFET C2M0080120D. Эти транзисторы отличаются улучшенными характеристиками по сравнению с первым поколением SiC MOSFET.
Сегодня инверторы для PV- и EV-систем являются теми устройствами, где характеристики SiC-приборов особо привлекательны, поскольку их большая плотность мощности и высокая рабочая частота позволяют снизить стоимость и массо-габаритные параметры изделия, а также уменьшить требования к системе охлаждения. Однако пока что нет четкого понимания того, насколько можно повысить производительность DC/DC-преобразователя с жесткой коммутацией за счет применением SiC MOSFET в сравнении с более сложным DC/DC-конвертером с «мягким» режимом переключения и насколько можно уменьшить стоимость компонентов (BOM) системы, имеющей высокую частоту коммутации и большую плотность мощности.
В данной статье рассматривается разработанный на основе 100% SiC-ключей DC/DC-конвертер мощностью 10 кВт, работающий в режиме жесткого переключения с чередованием фаз (интерливингом) на частоте до 100 кГц, обеспечивающий максимальный КПД 99,3% и снижение общей стоимости комплектующих. Приводится сравнение динамических характеристик, производительности и тепловых параметров SiC MOSFET и быстрого Si H3 IGBT. Экспериментальные результаты показывают, что применение 100% Cree SiC MOSFET с SiC-диодами Шоттки позволяет увеличить частоту системы при одновременном повышении эффективности и снижении общей стоимости.
Для разработки повышающего преобразователя с интерливингом и рабочей частотой 100 кГц необходимо дополнительно изучить свойства SiC MOSFET и повышающего индуктора. На рис. 1 представлена схема повышающего конвертера на основе SiC-компонентов. В этой конфигурации каждый канал устройства включает в себя один SiC MOSFET 1200 В/20 A с сопротивлением канала 80 мОм (C2M0080120D) и один 1200 В/10 A SiC-диод Шоттки (C4D10120D), чтобы обеспечить мощность 10 кВт в режиме повышения. Благодаря использованию силовых SiC-приборов преобразователь может работать на высоких частотах для достижения большой плотности мощности. Данный SiC-конвертер не содержит дополнительную цепь с мягкой коммутацией, такую как ZVS, чтобы получить высокую эффективность. Показанная топология с чередованием фаз, построенная на небольшом количестве компонентов, знаменует очевидный прорыв в силовой электронной технике.
В таблице 1 сравниваются основные параметры транзистора второго поколения SiC MOSFET C2M0080120D и первого поколения SiC MOSFET CMF20120D. Сравнение пока- зывает, что новый ключ C2M0080120D имеет низкую емкость и меньшие потери переключения. Между тем его сопротивление в открытом состоянии отличается большим положительным температурным коэффициентом, что позволяет новым компонентам SiC MOSFET иметь лучшие тепловые характеристики при параллельном соединении. С любой точки зрения, новый SiC MOSFET обеспечивает высокочастотной системе более высокую плотность мощности и эффективность.
Параметр | SiC MOSFET | |
CMF20120D | C2M0080120D | |
Rds_on, тип. значение (Tj = +25 °C), мОм | 80 | 80 |
Rds_on, тип. значение (Tj = +125 °C), мОм | 95 | 123 |
Размер чипа | -35% | |
Макс. напряжение на затворе (VGS), В | 5/25 | 10/25 |
Потери переключения (Tj = +150 °C, VDS = 800 В), мДж | 0,78 | 0,56 |
Заряд затвора, нКл | 91 | 49 |
Входная емкость, Ciss, пФ | 1915 | 950 |
Выходная емкость, Coss, пФ | 120 | 80 |
Обратная емкость, Crss, пФ | 13 | 6,5 |
Тепловое сопротивление «кристалл–корпус», °С/Вт | 0,5 | 0,6 |
Из-за необходимости работы на высокой частоте (100 кГц) в режиме жесткого переключения конструкция индуктора играет важную роль для снижения стоимости и повышения плотности мощности. Динамические потери быстрых IGBT ограничивают рабочие частоты Si-устройств на уровне не выше 20–40 кГц. Однако применение SiC MOSFET позволяет увеличить частоту до 100 кГц без ущерба для эффективности системы. При такой частоте коммутации SiC MOSFET индуктивность повышающего индуктора уменьшается в соответствии с выражением (1), соответственно, его массо-габаритные параметры и стоимость оказываются значительно меньше при сохранении общей эффективности системы, которая превосходит показатели IGBT на частоте коммутации 20 кГц. В таблице 2 приведены параметры 5-кВт индукторов для Si IGBT на частоте 20 кГц и SiC MOSFET на частоте 100 кГц. Две катушки индуктивности используются в системе мощностью 10 кВт.
Технология | Si IGBT | SiC MOSFET |
Частота коммутации, кГц | 20 | 100 |
Материал сердечника | Fe–Si | Fe–Si–Al |
Тип сердечника | AWG8*1*98Ts | AWG12*1*55Ts |
Размер, мм | 140×108×68 | 63×26 |
Масса, кг | 2,3 | 0,4 |
RDC, мОм | 22 | 25 |
Потери в обмотке, Вт | 6,1 | 7,5 |
Потери в сердечнике, Вт | 13 | 15,8 |
Базовая цена, $ | 31 | 12 |
При разработке высокочастотных преобразователей на основе SiC-ключей следует уделять особое внимание проблеме электромагнитных шумов. В ходе проектирования данного конвертера были использованы некоторые практические подходы для ограничения влияния электромагнитных помех (EMI) на высокой частоте переключения:
Параметр | Значение |
Входное напряжение, В | 450 DC |
Выходное напряжение, В | 650 DC |
Номинальная выходная мощность, кВт | 10 |
Рабочая частота, кГц | 100 (для SiC MOSFET), 20 (для Si IGBT) |
Размер РСВ | 240×140×90 мм |
Размер индуктора | ∅ = 63 мм, высота = 26 мм для 100 кГц, 140×108×68 мм для 20 кГц |
Для оценки характеристик модулей 1200 В/20 A SiC MOSFET второго поколения был разработан повышающий DC/DC преобразователь мощностью 10 кВт, работающий в режиме жесткого переключения с интерливингом (рис. 7). Для сравнения производительности SiC MOSFET и Si IGBT также был использован сверхбыстрый Si IGBT (1200 В/40 A) IGW40N120H3. Размер печатной платы (PCB) — 240×140×90 мм, в устройстве использован контроллер TI UCC28220, осуществляющий ШИМ-управление с интерливингом, а также драйвер затворов IXYS IXDN609.
Далее представлены результаты проверки эффективности устройства на базе SiCMOSFET с коммутацией на частоте 100 кГц(первое поколение CMF20120D и второе поколение C2M0080120D) в сравнении с Si IGBT (IGW40N120H3) на частоте 20 кГц (рис. 8).В обоих устройствах использованы выходные SiC-диоды Шоттки от Cree 1200 В C4D10120D, что гарантирует корректное сравнение. Все данные получены при внешнем резисторе затвора 2 Ом.
Низкий уровень динамических потерь является ключевым преимуществом SiC MOSFET на высокой рабочей частоте. На рис. 9 и 10 показаны эпюры сигналов включения транзисторов C2M0080120D и IGW40N120H3, энергия Eon составляет 54,5 мкДж для SiC MOSFET и 115,1 мкДж для Si IGBT. На рис. 11 и 12 представлены эпюры сигналов выключения C2M0080120D и IGW40N120H3, величина Eoff составляет 83,3 мкДж для SiC MOSFET и 911,5 мкДж для Si IGBT, т. е. энергия потерь выключения IGBT примерно в 10 раз выше, чем у SiC MOSFET.
Из полученных осциллограмм можно определить, что общие динамические потери для SiC MOSFET на частоте 100 кГц составляют около 13,8 Вт, в то время как общие потери транзисторов IGBT на 20 кГц около 20,5 Вт, т. е. на 7 Вт выше, чем SiC MOSFET. Это показывает, что SiC MOSFET могут иметь меньшие потери, чем Si IGBT, даже когда SiC MOSFET работает на частоте в пять раз выше, чем Si IGBT, особенно в режиме выключения. IGBT имеют большие потери выключения из-за наличия т. н. «хвостового» тока, хотя в данном случае использован высокоскоростной тип Si IGBT.
На рис. 13 и 14 показано сравнение тепловых профилей устройств на базе SiC MOSFET 2M0080120D и Si IGBT IGW40N120H3. Испытания проводились при входном напряжении 450 В DC, выходном напряжении 650 В DC под полной нагрузкой 2×5 кВт. Температура окружающей среды +25 °C, принудительное охлаждение радиатора отсутствует, плата испытывалась без корпуса. В обоих вариантах устройства использовались выходные SiC-диоды Шоттки Cree C4D20120D для обеспечения корректного сравнения обоих вариантов преобразователя. SiC MOSFET имеет меньшие потери и, соответственно, на 40 °C меньшую температуру корпуса, что более чем на 40% превышает показатели Si IGBT. Это означает, что SiC MOSFET можно использовать с более легким, тонким и менее дорогим теплоотводом. Также тесты показали, что для конвертера с Si IGBT и частотой 20 кГц требуется больший индуктор с меньшей плотностью мощности по сравнению с SiC MOSFET на частоте 100 кГц.
Проведенное сравнение динамических характеристик, производительности и тепловых параметров SiC MOSFET и быстрого Si H3 IGBT наглядно показало, что предложенная конструкция конвертера на основе SiC-ключей имеет преимущество в системах высокой мощности. С увеличением доступности SiC-компонентов и их опций снимутся многие из ограничений, обусловленных физическими свойствами Si, что приведет к расширению возможностей проектирования на системном уровне высокочастотных преобразовательных систем мощностью от сотен ватт до сотен киловатт
Джимми Луи (Jimmy Liu)
Кин Лап Вонг (Kin Lap Wong)
Скотт Аллен (Scott Allen)
Джон Муккен (John Mookken)
Перевод:
Евгений Карташов
Валерия Смирнова - продакт-менеджер компании Макро Групп. cree@macrogroup.ru
Статья была опубликована в журнале "Силовая электроника", № 6’2017.