Serwisy partnerskie:
Close icon
Serwisy partnerskie

Zwiększenie mocy z watów na megawaty. Konwersja energii z zastosowaniem elementów SiC MOSFET

W świecie energoelektroniki zwiększenie mocy nie musi oznaczać zwiększenia gabarytów. Odnosi się to szczególnie do systemów zasilania wyższego napięcia, w których zapotrzebowanie klientów skupia się na konwerterach mniejszych, lżejszych, bardziej niezawodnych, wydajnych oraz tańszych. Aby sprostać tym wymaganiom, potrzebna jest lepsza technologia półprzewodnikowa. W przypadku krzemowych tranzystorów MOSFET i krzemowych tranzystorów IGBT konieczne są kompromisy – trzeba wybrać albo najbardziej niezawodny, albo najbardziej wydajny projekt, ale nie oba. Wysokonapięciowe tranzystory MOSFET z węglika krzemu (SiC) są rozwiązaniem, które uwolni projektantów z krzemowych kajdanek.
Article Image

Przez prawie dwie dekady komponenty mocy na bazie SiC przeszły z napięcia znamionowego 650 V do wartości 1200 V i zyskały istotne znaczenie na rynku. Stosowane w nowych konstrukcjach, umożliwiały dokonywanie przełomowych postępów w sprzęcie końcowym, jednocześnie poprawiając wydajność, niezawodność, rozmiar, wagę, a nawet koszty. 

Niedawna premiera rodziny produktów SiC 1700 V rozszerza zastosowanie technologii SiC w branży dostarczania energii, pomagając przenieść punkt konwersji energii na nowe segmenty, na końcowe urządzenia, takie jak zelektryfikowane pojazdy użytkowe i ciężkie, trakcje lekkiej kolei, zasilanie pomocnicze, systemy energii odnawialnej i napędy przemysłowe. 

W artykule szczegółowo omówiono korzyści oferowane przez tranzystory MOSFET 1700 V SiC w porównaniu z dotychczasowymi rozwiązaniami krzemowymi w szerokim zakresie poziomów mocy – od watów do megawatów.

Z dziesiątek do setek watów

Przy niskim poziomie mocy jaka może być przyczyna stosowania tranzystorów na napięcie 1700 V? W każdym systemie energoelektronicznym znajduje się jeden zasilacz pomocniczy tzw. AuxPS. Jest niezbędny do rutynowej pracy przemysłowych napędów silnikowych, pojazdów elektrycznych, centrów danych, zasilania rezerwowego, falowników instalacji słonecznych, infrastruktury ładowania itd. AuxPS ma kluczowe znaczenie dla systemu, ponieważ dostarcza zasilanie do sterowników bramek, obwodów czujnikowych i sterujących oraz wentylatorów chłodzących, w związku z tym nie może zawieść, a wszelkie związane z tym zagrożenia powinny zostać złagodzone.

Ponieważ te energooszczędne, izolowane zasilacze impulsowe są używane w różnych zastosowaniach na całym świecie, muszą akceptować na wejściu napięcie z szerokiego zakresu: od 300 nawet do 1000 V i dostarczać niskie napięcie od 5 do 48 V. Być może najpotężniejszą metodą łagodzenia awarii jest uproszczony projekt obwodu. Jak pokazano na rysunku 1, najbardziej niezawodną konstrukcją obwodu jest topologia flyback z jednym przełącznikiem (rysunek 1, po prawej), która zapewnia prostotę i zmniejszoną liczbę komponentów – ta ostatnia daje korzyść w postaci niższych kosztów całkowitych.

Rysunek 1. Topologię z dwoma przełącznikami (po lewej) zawierającą tranzystory krzemowe można zastąpić znacznie prostszym rozwiązaniem typu flyback z jednym przełącznikiem (po prawej) przy użyciu wydajniejszych i tańszych tranzystorów MOSFET 1700 V SiC

Wprowadzenie tranzystorów MOSFET 1700 V SiC stanowi idealne rozwiązanie dla zasilaczy AuxPS. Łącząc wysokie napięcie przebicia, niższą właściwą rezystancję włączania i dużą szybkość przełączania, urządzenia te doskonale nadają się do topologii flyback z jednym przełącznikiem. Klasyczne rozwiązania bazujące na elementach krzemowych albo mają zbyt niskie napięcie znamionowe, co wymaga architektury z dwoma przełącznikami (pokazana na rysunku 1, po lewej) i podwaja prawdopodobieństwo awarii albo mają odpowiednią wartość napięcia, ale słabą wydajność, niewielu dostawców i wyższą cenę w porównaniu z SiC.

Oprócz zwiększonej niezawodności, prostszego schematu sterowania, mniejszej liczby komponentów i niższych kosztów, AuxPS z tranzystorami MOSFET 1700 V SiC może być również mniejszy. Rezystancja w stanie włączenia (zwana także specyficzną rezystancją przy włączaniu – Ron,sp) tranzystorów MOSFET SiC stanowi ułamek wartości tego parametru w odniesieniu do krzemowych tranzystorów MOSFET. Oznacza to, że komponenty mogą być mniejsze, tworzone na mniejszej strukturze i jednocześnie straty przewodzenia będą zmniejszone, co ostatecznie może skutkować mniejszymi lub całkowicie usuniętymi radiatorami. Co więcej, tranzystory MOSFET SiC charakteryzują się niższymi stratami przełączania, co umożliwia zmniejszenie rozmiaru, wagi i kosztów transformatora poprzez zwiększenie częstotliwości przełączania.

Z dziesiątek do setek kilowatów

Zwiększając zakres mocy, tranzystory MOSFET 1700 V SiC zapewniają również wiele korzyści w porównaniu z krzemowymi tranzystorami MOSFET i tranzystorami IGBT w aplikacjach przystosowanych do mocy rzędu dziesiątek czy setek kilowatów. Przykładami zastosowań są łańcuchowe i centralne falowniki do instalacji słonecnych, pomocnicze jednostki zasilania (APU) w pojazdach transportu komercyjnego, nagrzewnice indukcyjne i spawarki, napędy przemysłowe, konwertery wiatrowe i wiele innych.

Wraz ze wzrostem przetwarzanej mocy rośnie również wpływ szybszego i wydajniejszego przełączania elementów SiC. W porównaniu z krzemowymi tranzystorami IGBT, tranzystory SiC MOSFET redukują straty przełączania średnio o 80%, umożliwiając konwerterom zwiększenie częstotliwości przełączania i zmniejszenie rozmiarów, wagi i kosztów nieporęcznych, drogich transformatorów. I chociaż straty przewodzenia tranzystorów SiC MOSFET i krzemowych tranzystorów IGBT są podobne pod dużym obciążeniem, wiele aplikacji pracuje w warunkach lekkiego obciążenia przez większość swojego okresu eksploatacji. Są to np. falowniki słoneczne działające w pochmurne dni, konwertery turbin wiatrowych w bezwietrzne dni lub drzwi pociągu (otwierane/zamykane przez APU transportowe), które są prawie cały czas zamknięte. W tych bardzo powszechnych warunkach obciążenia tranzystory MOSFET SiC oferują niższe straty przewodzenia uzupełnione dodatkowo zmniejszonymi stratami przełączania, umożliwiając zredukowanie rozwiązań do pochłaniania ciepła lub zastosowanie innych, bardziej optymalnych środków zarządzania ciepłem.

Z punktu widzenia niezawodności, tranzystory SiC MOSFET dają projektantom możliwość uproszczenia topologii obwodu i schematu sterowania, a także zmniejszenia liczby komponentów – co oczywiście wiąże się z niższymi kosztami. Ze względu na zapotrzebowanie na wyższą moc przekształtników średniej mocy stosowane jest wyższe napięcie szyny DC – zwykle między 1000 a 1300 V. Wybierając tranzystory krzemowe przy tak wysokich napięciach w obwodach prądu stałego, wymagania dotyczące wydajności nakazują projektantom wybór spośród kilku złożonych, trójpoziomowych architektur obwodów pokazanych na rysunku 2. Obejmują one obwód z punktem neutralnym połączonym z diodami – NPC, aktywny obwód NPC – ANPC lub obwód typu T. Zastosowanie tranzystorów MOSFET 1700 V SiC pozwala projektantom uwolnić się od tych ograniczeń i powrócić do bardziej eleganckiego dwupoziomowego obwodu pokazanego po prawej stronie rysunku 2, zmniejszając liczbę urządzeń o połowę i usprawniając sterowanie.

Rysunek 2. Skomplikowane trójpoziomowe topologie obwodów (po lewej) zawierające krzemowe tranzystory IGBT można uprościć do bardziej eleganckiej i niezawodnej topologii dwupoziomowej (po prawej) przy użyciu połowy (lub mniej!) modułów 1700 V SiC MOSFET

Warto wspomnieć, jak ważne jest właściwe sterowanie bramką tranzystorów SiC MOSFET. Ponieważ SiC może przełączać wysokie poziomy mocy przy bardzo dużych prędkościach, należy zachować ostrożność, aby uniknąć przeskoków napięcia i zmniejszyć emisję hałasu. Przetwornice średniej mocy w standardowo przełączają prąd rzędu setek amperów na szynie 1000...1300 V w czasie poniżej mikrosekundy. To wymaga najniższej możliwej indukcyjności komponentów, inteligentnych i szybko działających sterowników bramek oraz optymalnie zaprojektowanego obwodu.

Połączenie pakietu mocy SP6LI firmy Microchip Technology z rodziną sterowników bramek cyfrowych AgileSwitch zapewnia projektantom gotowe rozwiązania pozwalające uzyskać maksymalne korzyści z tranzystorów MOSFET 1700 V SiC bez stawiania czoła tym typowym wyzwaniom.

Megawaty

W zakresie mocy wielu megawatów kluczowe czynniki projektowe obejmują łatwą skalowalność i minimalne czynności konserwacyjne, co skłania do stosowania rozwiązań modułowych bazujacych na podstawowym ogniwie jednostkowym. Jak pokazano na rysunku 3, komórki elementarne, czasami określane jako bloki lub podmoduły energoelektroniczne, są skonfigurowane jako kaskadowe konwertery mostka H lub modułowe konwertery wielopoziomowe (MMC). Zastosowania takich komponentów w skali megawatowej obejmują transformatory półprzewodnikowe (SST), systemy dystrybucji prądu stałego i średniego napięcia, jednostki trakcyjne (TPU) w pojazdach komercyjnych i ciężkich, centralne falowniki słoneczne i morskie konwertery wiatrowe oraz pokładowe systemy konwersji energii.

Rysunek 3. Modułowy konwerter wielopoziomowy (po lewej) z wieloma ogniwami w celu uzyskania wymaganej mocy znamionowej oraz (po prawej) dwa przykłady zastosowania prostej, dwupoziomowej konfiguracji ogniw elementarnych z tranzystorami MOSFET 1700 V SiC

Historycznie, urządzeniami półprzewodnikowymi mocy używanymi w ogniwach elementarnych były krzemowe tranzystory IGBT o napięciu od 1200 do 1700 V. Podobnie jak w przypadku aplikacji o niższej mocy, wdrożenie tranzystorów MOSFET 1700 V SiC na poziomie komórki elementarnej zwiększa ich zdolność do obsługi mocy i wydajność elektryczną. Jak wspomniano wcześniej, tranzystory MOSFET 1700 V SiC mają znacznie mniejsze straty przełączania, co umożliwia zwiększenie częstotliwości przełączania i drastyczne zmniejszenie rozmiaru każdej komórki elementarnej. Co więcej, wysokie napięcie blokujące wynoszące 1700 V zmniejsza liczbę ogniw elementarnych wymaganych dla tego samego napięcia w obwodzie prądu stałego, co ostatecznie zwiększa niezawodność systemu przy jednoczesnym obniżeniu kosztów.

Streszczenie

Tranzystory MOSFET 1700 V SiC przynoszą korzyści wielu aplikacjom i urządzeniom końcowym, oferując wyższą niezawodność przy obniżonych kosztach. Osiągnięcie obu właściwości jest możliwe nawet przy jednoczesnym zmniejszeniu konstrukcji i w efekcie lżejszym i wydajniejszym konwerterze. Od watów do megawatów, wysokonapięciowe tranzystory MOSFET SiC pozwalają projektantom wyjść poza krzemowe kompromisy i wprowadzać przełomowe ulepszenia w systemach konwersji energii. Oprócz najbardziej wytrzymałych w branży komponentów mocy SiC, zaawansowane układy zasilające z ultraniską indukcyjnością pasożytniczą i cyfrowe sterowniki bramek pomagają projektantom w uzyskaniu prawdziwej wartości technologii SiC i skróceniu czasu wprowadzenia na rynek.

Microchip Technology rozszerzył swoją ofertę SiC, wprowadzając tranzystory MOSFET SiC 3,3 kV o najniższej w branży rezystancji RDS(on) i tranzystory SiC SBD o najwyższym prądzie znamionowym, co pozwala projektantom czerpać korzyści z wytrzymałości, niezawodności i wydajności. MOSFET i SBD 3,3 kV firmy Microchip uzupełniają szeroką gamę produktów SiC firmy, która obejmuje struktury na napięcie 700 V, 1200 V i 1700 V, elementy dyskretne, moduły i sterowniki bramek cyfrowych.

Xuning Zhang and Kevin Speer
Microchip Technology

Firma: Microchip Technology
Tematyka materiału: Microchip, SiC, MOSFET, tranzystor
Źródło
Elektronika Praktyczna październik 2022
Udostępnij
Zobacz wszystkie quizy
Quiz weekendowy
Mikroprocesory (µP),
Mikrokontrolery (µC)
1/12 Architektura RISC w porównaniu do architektury CISC charakteryzuje się:
UK Logo
Elektronika dla Wszystkich
Zapisując się na nasz newsletter możesz otrzymać GRATIS
najnowsze e-wydanie magazynu "Elektronika dla Wszystkich"