Силовые модули на основе карбида кремния для широкого спектра применений.

Силовые модули SiC для широкого спектра применений

Инновационные силовые устройства для устойчивого будущего

Авторы: Дж. Ямада, Mitsubishi Electric, подразделение силовых устройств, Фукуока, Япония, и Э. Таль, Mitsubishi Electric Europe, Ратинген, Германия

Этапы разработки силовых модулей SiC от Mitsubishi Electric

Доступные в настоящее время силовые модули SiC от Mitsubishi Electric (см. рис. 1) относятся к первому этапу коммерциализации технологии SiC, который начался примерно в 2010 году.

Рисунок 1: Диапазон текущих модулей SiC (ось X: номинальный ток модуля в А; ось Y: класс напряжения)

Однако разработка технологии SiC в Mitsubishi Electric началась гораздо раньше, более 20 лет назад, см. [1]. В первое десятилетие, с 1994 по 2004 год, исследовательские усилия были сосредоточены в основном на самой технологии интегральных схем SiC, как для SiC MOSFET, так и для SiC диодов Шоттки. После этого периода, с 2005 по 2009 год, акцент сместился на достижимые системные преимущества использования модулей SiC в инверторах. С этой целью было разработано и протестировано несколько демонстрационных образцов инверторов SiC в различных областях применения. Фаза коммерциализации SiC-модулей началась в 2010-2014 годах. В этот период на рынок были выведены несколько типов полных и гибридных SiC-модулей, а также появились первые инверторы промышленного производства с SiC-модулями Mitsubishi, в основном в Японии. Одновременно продолжалось совершенствование технологии интегральных схем SiC MOSFET; см., например, дорожную карту развития 1200 В на рисунке 2.

Начиная с 2015 года, SiC-модули стали появляться во многих новых областях применения. Это расширение продолжается и даже набирает обороты.

В этой статье объясняется инновационный потенциал технологии SiC в силовых электронных системах, в основном на примере трех силовых модулей SiC, выбранных из ассортимента продукции, показанного на рис. 1:

• Модуль DIPIPM 15A/600V Full SiC, тип: PSF15S92F6
• Двусторонний модуль DIPIPM 800A/1200V Full SiC, тип: FMF800DX2-24A
• Двусторонний модуль DIPIPM 750A/3.3kV Full SiC, тип: FMF750DC-66A

Суперминиатюрный модуль DIPIPM 15A/600V Full SiC (PSF15S92F6)

Этот полный модуль The Микросхема SiC Super Mini DIPIPM была представлена ​​в октябре 2016 года для новых комнатных кондиционеров Mitsubishi "Kirigamine" серий FZ и Z.Высокая энергоэффективность является ключевым требованием для инверторных систем кондиционирования воздуха. PSF15S92F6 был разработан для бытовой техники, такой как кондиционеры, стиральные машины и холодильники [2].

Рисунок 2: Дорожная карта разработки 1200V SiC MOSFET

Рисунок 3: Серия комнатных кондиционеров "Kirigamine"

Рисунок 4: Схема PSF15S92F6

Схема показана на рисунке 4. Она содержит 3-фазный инвертор с SiC-MOSFET транзисторами и их схемами управления. Форма корпуса показана на рисунке 5. По сравнению с обычным 15A Si-IGBT DIPIPM устройством, которое производится в том же корпусе модуля, новое устройство на основе SiC DIPIPM обеспечивает на 70% меньшие потери мощности при тех же условиях применения (см. рисунок 6). Использование PSF15S92F6 позволило достичь исключительной энергоэффективности в новых комнатных кондиционерах "Киригамине".

Рисунок 5: Эскиз корпуса PSF15S92F6

Рисунок 6: Сравнение потерь мощности Si-IGBT с полной схемой Схема SiC-DIPIPM SiC-DIPIPM

Еще одно преимущество использования схемы SiC-DIPIPM показано на рисунке 7: плавное гашение диода при включении MOSFET значительно снижает излучаемые электромагнитные помехи (ЭМП), что позволяет использовать менее требовательные фильтры ЭМП.

Рисунок 7: Улучшенное снижение ЭМП благодаря плавному гашению FWDi

Усовершенствованный двухмодульный SiC модуль 800A/1200V (FMF800DX2-24A)

Рисунок 8: Усовершенствованный двухмодульный блок с полностью SiC 800A/1200V FMF800DX2-24A

Рисунок 9: Внутренняя схема FMF800DX2-24A

Рисунок 11: Волны защиты от короткого замыкания во время работы RTC

В апреле 2015 года мы описали новый двухканальный модуль с полностью SiC в Bodo’s Power [3] 800A/1200V (названный FMF800DX-24A). Для эффективного управления и защиты этого устройства компания Power Integrations GmbH разработала специальную микросхему управления затвором [4]. Недавно компания Mitsubishi представила усовершенствованную версию этого модуля на 800 А/1200 В с полным SiC-корпусом, переименованную в FMF800DX2-24A. Расположение SiC-чипа с низкими потерями осталось тем же, но корпус был изменен по сравнению с предыдущей версией (см. рис. 8). Внутренняя индуктивность корпуса составляет менее 10 нГн, а напряжение изоляции Viso = 4 кВ переменного тока. В модуль реализованы модули управления в реальном времени (RTC) для SiC-MOSFET как P-, так и N-типа (см. рис. 9). Этот RTC использует встроенные датчики тока в микросхемах MOSFET для обнаружения короткого замыкания и эффективного ограничения тока короткого замыкания путем быстрого отключения напряжения затвора; См. рисунки 10 и 11.

При сравнении потерь мощности модуля 800A/1200V FMF800DX(2)-24A на основе SiC с его аналогом на основе Si при одинаковых условиях применения преимущества SiC становятся очевидными [1], см. пример инвертора мощностью 110 кВт, показанный на рисунке 12.

Рисунок 12: Сравнение потерь мощности Si-IGBT с модулем на основе SiC (оба 800A/1200V)

Существует две возможности использования этого Преимущества:

1. Если мы сохраним ту же частоту переключения, что и у обычных IGBT-модулей, потери мощности инвертора значительно снизятся. Это повысит эффективность инвертора и предоставит новую степень свободы для уменьшения размеров инвертора за счет уменьшения размеров радиатора. Это интересно для применений, требующих высокой плотности мощности инвертора, особенно если пространство для установки инвертора ограничено.
2. Если мы сохраним потери мощности инвертора на том же уровне, что и у IGBT-модулей (т.е., эффективность инвертора и размер радиатора останутся прежними), частоту переключения можно увеличить в 3-5 раз. В приложениях, где присутствуют крупные индуктивные накопительные компоненты, это позволит получить новую степень свободы для уменьшения размера (и стоимости) этих катушек.

Конечно, любая комбинация аспектов 1 и 2 возможна для получения наилучших преимуществ для данного приложения с использованием модуля FMF800DX(2)-24A с полным SiC-элементом.

Модуль FMF750DC-66A с полным двойным SiC-элементом 750A/3300V

В июне 2015 года компания Mitsubishi Electric объявила об установке первой системы привода для железнодорожных вагонов с использованием силовых модулей 1500A/3300V с полным SiC-элементом на скоростном поезде Синкансэн [5] (рис. 13). Преимущества системы были описаны как уменьшение размеров инвертора на 55% и уменьшение веса инвертора на 33%.

В [6] был представлен новый разработанный двухканальный модуль FMF750DC-66A, полностью изготовленный из SiC, с номинальным током 750 А/3300 В. Он включает в себя SiC-MOSFET с антипараллельными диодами Шоттки. Для достижения низкой внутренней индуктивности корпуса (<10 нГн) и хорошего распределения тока между параллельно соединенными микросхемами был использован новый двухкомпонентный корпус LV100 (см. рисунок 14).

Рисунок 13: Первый полностью кремниевый приводной инвертор в скоростном поезде Синкансэн

На рисунке 15 (включение) и рисунке 16 (выключение) сравниваются сигналы переключения Si-IGBT 750A/3300V и FMF750DC-66A.

Энергия переключения FMF750DC-66A значительно ниже по сравнению с его Si-аналогом: Eon снижена на 61%, а Eoff — на 95%.

Рисунок 15: Сигналы переключения (Switching Вкл.

Рисунок 16: Волны переключения (Switching Off)

Это резкое снижение потерь при переключении за счет SiC может быть использовано в нескольких направлениях, как описано ранее в главе 3: 1. для уменьшения размеров инверторной системы / повышения эффективности инвертора, или 2. для увеличения частоты переключения, или, как комбинация 1 и 2, в зависимости от приоритетов в данном применении.

Для соответствия специфическим требованиям к окружающей среде и надежности в тяговых приложениях новый FMF750DC-66A прошел многочисленные испытания. [6]:

• 1000 ч HTRB при Vds=2810 В; Vgs=-10 ​​В; Tj=175 °C
• Испытание на стабильность к космическому излучению
• 1000 ч HTGB при Vgs=+/-20 В; Vds=0 В; Tj=175 °C
• Испытание на циклическую нагрузку при Tj(max)=175 °C
• 1000 ч H3TRB-испытание при Ta=85 °C; RH=85%; Vds=2100 В; Vgs=-10 ​​В
• 1500 ч импульсное испытание при Vds=1650 В; Id=354 А; fo=20 Гц; fc=1kHz

Рисунок 17: 300A/1200V SiC MOSFET Chip

Результаты подтвердили, что характеристики FMF750DC-66A подходят для использования в тяговых системах. Этот новый полностью SiC силовой модуль имеет примерно на 80% меньшие потери при переключении, чем обычный Si силовой модуль. Использование FMF750DC-66A в инверторе привода железнодорожного транспортного средства позволило снизить общие потери мощности на 30% по сравнению с существующей системой.

Рисунок 18: Сверхкомпактный инвертор с выходной мощностью 430 кВА/дм³ для гибридных автомобилей

Научно-исследовательские работы по разработке технологии SiC

Параллельно с проектированием существующих силовых модулей SiC (см. Рисунок 1) проводятся различные научно-исследовательские работы по адаптации технологии SiC к новым областям применения.

Одним из очень перспективных направлений является использование SiC в автомобильной промышленности.

Еще один пример новаторских усилий Mitsubishi Electric по внедрению технологии SiC в автомобильную промышленность показан на рисунке 18. Этот сверхкомпактный модуль управления мощностью 430 кВА, разработанный для гибридных автомобилей, выполнен в корпусе размером 275x151x121 мм³. Это представляет собой самую высокую в мире плотность мощности инвертора — 86 кВА/дм³ [8].

Еще одно важное направление исследований сосредоточено на расширении технологии SiC до более высоких блокирующих напряжений. В [9] сообщается об успешном изготовлении чипов SiC-MOSFET на 6500 В с размерами 8,1 х 8,1 мм² и интегрированными диодами Шоттки (SBD), см. рисунки 19 и 20.

Рисунок 19: Плата с чипом SiC-MOSFET на 6500 В с интегрированными SBD