Преимущества замены IGBT на SiC-модули в силовых сборках

Специалисты начали применять коммерчески доступные, мощные All-SiC силовые модули и драйверы (рис. 1) как для модернизации существующих систем на основе Si IGBT, так и при разработке новых конструкций, специально адаптированных для максимально эффективного использования преимуществ новых SiC-приборов, позволяющих создавать компактные и более эффективные преобразователи энергии.

Замена Si IGBT на SiC в силовых сборках

Преимущества SiC, как материала, перед Si в силовых приборах хорошо изучены и не требуют дальнейшего анализа [1, 2]. Таким образом, наши усилия будут сосредоточены на применении All-SiC модулей в мощных преобразовательных системах. Выпускаемая серийно сборка на основе 62-мм модулей Si-IGBT(1200 В/400 А), содержащая конденсаторы звена постоянного тока, радиатор и вентилятор системы принудительного воздушного охлаждения, плату управления с устройством защиты, а также датчики, была выбрана для переделки на карбидокремниевые ключи и испытаний для оценки улучшения производительности.

Коммерческая сборка IGBT и ее основные параметры

На рис. 2 показана готовая сборка на базе стандартных модулей 62 мм, которая используется в качестве референтного IGBT-инвертора (до преобразования) или SiC-инвертора (после преобразования). Ее основные технические характеристики представлены на рис. 2, дополнительные сведения доступны в спецификации производителя [3]. При номинальной справочной выходной мощности 140 кВт (ток 200 Аrms) на частоте переключения Fsw 3 кГц, эта 200-А сборка является самой маленькой в семействе. Она представляет собой хороший пример универсального преобразователя, построенного на базе стандартных модулей, широко используемого в солнечной энергетике и электроприводах.

Процесс замены IGBT-ключей в сборкена SiC-приборы оказался достаточно простым благодаря наличию All-SiC силовыхмодулей в таком же конструктиве, а такжесовместимых драйверов затворов, выполняющих функции, имеющиеся в типовых схемах управления IGBT. На рис. 3 представлены все произведенные изменения. Дополнительные конденсаторы в звене постоянного тока добавлены для тестирования устройства при больших выходных токах. Три 400-А IGBT-модуля заменены на All-SiC ключи с номинальными параметрами 1200 В/300 А, а вместо трехфазного драйвера затворов IGBT установлено три двухканальных платы управления SiC. Одна из немногих механических модификаций сборки состоит в изменении положения  драйверов затворов относительно исходного положения (примерно в 20 см от силовых модулей). В окончательном варианте они смонтиро- ваны непосредственно на карбидокремниевых модулях. Это связано с более высокой скоростью переключения SiC-ключей и необходимостью минимизации влияния паразитных индуктивностей и емкостей соединительных цепей. Модули SiC MOSFET (1200 В/300 А) со встроенными встречно-параллельными диодами Шоттки имеют пять основных преимуществ относительно замененных в сборке 400-А модулей IGBT 12 класса:

  • меньшие потери коммутации;
  • меньшие потери проводимости;
  • пренебрежимо малые динамические потери
  • SiC-диодов Шоттки;
  • большее блокирующее напряжение;
  • высокий иммунитет к космическому излучению, воздействие которого сокращает срок службы и даже приводит к единичным отказам.

Общеизвестно, что SiC-транзисторы имеют низкие потери переключения, что видно из сравнения Si-IGBT с быстрым антипараллельным диодом (FRD) и аналогичного SiC MOSFET с SiC-диодом Шоттки в полумостовой схеме (рис. 4а). Графики на рис. 4б демонстрируют, что SiC-диоды Шоттки практически не имеют заряда обратного восстановления и это свойство сохраняется в диапазоне температур +25…+150 °C, что способствует снижению энергии включения Eon MOSFET и заметно снижает потери переключения диода. 

Менее известен факт, что общее значение коммутационных потерь Etot, представляющее собой сумму потерь включения и выключения, в SiC-транзисторах фактически остается неизменным или уменьшается (в некоторых случаях на 10–25%) с ростом температуры кристаллов, в то время как у кремниевых IGBT наблюдается обратный эффект. Таким образом, при реальных рабочих температурах разница Etot между Si IGBT и SiC MOSFET более выражена, чем при комнатной температуре.

Чтобы оценить потери проводимости Econd сравним прямые характеристики IGBT с номинальным током 50 А и SiC MOSFET с различ- ными токовыми номиналами. На рис. 5 видно,что эквивалентный 50-А SiC-транзистор имеет примерно половину потерь проводимости.Кроме того, нет необходимости заменять 50-АIGBT на такой же SiC, чтобы получить аналогичную производительность. SiC MOSFET с номинальным током 40 А и 50-А IGBT имеют одинаковые потери проводимости при номинальном токе ICnom IGBT. Соответственно, можно предположить, что оба прибора имеют близкие показатели Econd 

Блоксхема инвертора; компоненты, отмеченные синим цветом, заменены на SiC  или соответствующим образом модернизированы

Необходимо отметить, что величина ICnom IGBT — это предельный постоянный ток при заданной температуре корпуса без учета динамических потерь. При коммутации IGBT необходимо снижать рабочий ток пропорционально росту частоты, чтобы не допустить превышения допустимой мощности рассеивания (PDmax ) устройства. Из графиков на рис. 5 видно, что при токах менее 50 А, 40-А SiC-транзистор имеет преимущество по E, благодаря чисто омической характеристике потерь MOSFET. Учитывая существенные различия в динамических параметрах этих двух приборов, коэффициент снижения тока SiC MOSFET на высоких частотах будет существенно ниже, чем у аналогичного Si IGBT.

Сравнение: а) динамических потерь MOSFET; б) потерь восстановления интегральных диодов MOSFET

 

 

 

Кроме уменьшения потерь переключенияи проводимости SiC-транзисторов, а также коммутационных потерь SiC-диодов, важнооценить их высокий иммунитет к воздействию космического излучения высокой энергии, приводящего к снижению надежностии даже повреждению кремниевых структур.Ожидается, что карбидокремниевые транзисторы будут значительно менее чувствительнык этому механизму отказа. Три основных фактора определяют стойкость полупроводникового прибора к космическому излучению: материал кристалла,его площадь и блокирующее напряжение [4]. Ширина запрещенной зоны карбидокремниевых структур в три раза больше, чем у кремния, площадь SiC-кристаллов составляет только 33% от поверхности аналогичных Si приборов, а напряжение пробоя SiC модулей в 1,33 раза превышает величину номинального напряжения. Таким образом, нетрудно понять, что технология SiC, по сравнениюс Si, позволяет минимизировать влияние трех основных факторов, влияющих на надежность полупроводниковых структур.

Сравнение прямых характеристик (зависимость прямого падения напряжения от тока) IGBT и SiCMOSFETРасчетное повышение производительности инвертора. Голубым цветом отмечена зона, где применение SiC дает преимущество по сравнению со справочными данными на сборку IGBT

Повышение производительности инвертора

В результате замены IGBT на SiC-модули в сборке инвертора ожидается значительное снижение рассеиваемой мощности, что может привести к соизмеримому увеличению выходной мощности и эффективности на более высоких частотах переключения. Это позволяет уменьшить размер и вес системы или увеличить ток нагрузки на той же рабочей частоте, повысить плотность мощности, улучшить удельные экономические показатели ($/Вт) или просто снизить температуру кристаллов и повысить КПД при тех же условиях эксплуатации, улучшить показатели надежности. На рис. 6 показано расчетное повышение производительности инвертора, расчеты впоследствии проверялись на соответствие результатам измерений зависимости выходного тока от рабочей частоты инвертора.

Выходной ток, выходная мощность и температура корпуса модулей до переделки (сборка IGBT) и после (сборка SiC)

Чтобы подтвердить ожидаемое улучшение производительности, были проведены испытания трехфазного инвертора на базе SiC-модулей, результаты измерений сравнивались со справочными данными IGBT-сборки. Тесты проводились при напряжении питания 700 В DC в режиме принудительного охлаждения с интенсивностью 400 м 3 /час при температуре окружающей среды Tamb = +25°С.Выходное напряжение 480 В AC при частоте 50 Гц подавалось на сбалансированную трехфазную резистивную нагрузку, которая может изменяться в пределах 2,8–263 кВт. Начальное тестирование проводилось при Fsw  = 10 кГц, затем испытания повторялись при Fsw = 50 кГц при сохранении всех остальных условий эксплуатации. Результаты,представленные на рис. 7, иллюстрируют явные преимущества по производительности SiC-инвертора. 

Изучая все сборки рассматриваемого семейства инверторов, следует определить, какому из них SiC-инвертор соответствует в наибольшей степени. Выбор в первую очередь зависит от рабочей частоты преобразователя Fsw в конкретном применении. На рис. 8 показана зависимость номинального выходного тока Iout от Fsw; как и ожидалось, эта зависимость обратная. Из-за резкого спада величины Iout  с ростом Fsw у IGBT сборки мы видим, что на частоте 10 кГц IGBT инвертор с номинальным током 750 А, который в три раза больше сборки на базе SiC, имеет такую же нагрузочную способность. Кроме того, зона, выделенная на рисунке синим цветом, демонстрирует возможности карбидокремниевых устройств, которые вообще экономически недостижимы при использовании Si IGBT технологии.

Характеристики семейства сборок IGBT в сравнении с SiC

Заключение

Разработчикам мощных преобразователей всегда приходится искать компромисс между производительностью, габаритами, стоимостью и частотой переключения Fsw. Использование более высоких значений Fsw позволяет уменьшать массогабаритные показатели конвертеров, однако платой за это является снижение эффективности. Как правило, для систем высокой мощности (>500 кВт), оптимальный баланс между вышеперечисленными параметрами достигается на частоте коммутации около 3 кГц. Использование All-SiC силовых модулей позволяет повышать величину Fsw без существенного снижения производительности. Это дает возможность создавать более высокочастотные системы преобразования энергии, отличающиеся меньшими габаритами и весом, быстротой реакции и более высокой надежностью силового каскада.

Авторы и литература

Автор:

Джон Мооккен(John Mookken)

Перевод:

Евгений Карташев

Валерия Смирнова

cree@macrogroup.ru 

 

Литература:

  1. M. Bhatnagar and B. J. Baliga. Comparison of 6H-SiC, 3C-SiC and Si for power devices // IEEE Trans. On Electron Devices. 1993. № 3.
  2. A. Elasser et al. A Comparative evaluation of new silicon carbide diodes and state-of-the-art silicon diodes for power electronic applications // IEEE IAS Annual Meeting Conference Proceedings. 1999.
  3. J. Dodge. Reduce circuit zapping from cosmic radiation // Power Electronics Technology. Sept., 2007.
Обратная связь

Нажимая кнопку "Отправить" вы даёте согласие на обработку персональных данных