В отличие от потребительских электромобилей, где приоритет отдается запасу хода на одном заряде, в других областях применения транспорта могут быть другие приоритеты, которые решаются за счет усовершенствования вспомогательных силовых установок (ВСУ). Например, пространство для пассажиров очень важно в легкорельсовом транспорте, поскольку высота потолка позволяет разместить больше платных пассажиров. Надежность в полевых условиях имеет первостепенное значение для горнодобывающей техники, где время простоя измеряется миллионами долларов в день. И во всех случаях комфорт пассажиров имеет решающее значение на рынке, обслуживаемом конкурентоспособными производителями оригинального оборудования, ориентированными на требовательных клиентов.
Высокие потери при переключении кремниевых IGBT-транзисторов препятствовали совершенствованию транспортных ВСУ. Ограничивая частоту переключения, IGBT-транзисторы фиксируют минимальный размер самых крупных физических компонентов ВСУ: разделительного трансформатора и радиатора. С SiC размер разделительного трансформатора может быть значительно уменьшен за счет переключения на более высоких частотах; а при снижении потерь при переключении на 80% и более, размеры радиаторов также могут быть уменьшены. Кроме того, частоты переключения ВСУ могут выходить за пределы слышимого диапазона, устраняя высокочастотный свист, раздражающий пассажиров. Наконец, эффективность имеет важное значение, поскольку APU работает непрерывно, часто при малых нагрузках; потери проводимости SiC MOSFET ниже, чем у конкурирующих IGBT в условиях малой нагрузки.

Справится ли SiC с этой задачей?
Устойчивость SiC MOSFET в широком диапазоне условий имеет важное значение для вспомогательных силовых установок (APU), обеспечивающих питание как комфортных, так и аварийных нагрузок. Необходимо проверить: 1) стабильность затворного оксида MOSFET, известную проблему для SiC MOSFET; 2) срок службы затворного оксида; 3) стабильность диода корпуса MOSFET; и 4) меры по обеспечению отказоустойчивости, такие как лавинная стойкость и устойчивость к короткому замыканию.

Целостность затворного оксида:
Если пороговое напряжение смещается, характеристики устройства изменяются (например, увеличивается сопротивление включения), что приводит к нестабильной работе системы и потенциальному отказу APU. На рисунке 1 показано, что данные Vth для серийных SiC MOSFET не должны демонстрировать каких-либо существенных изменений после 1000 часов воздействия при 175°C.
Рисунок 1. Пороговое напряжение серийных SiC MOSFET до и после воздействия высокой температуры (слева) и положительного (справа) напряжения смещения затвора.
Срок службы затворного оксида можно предсказать, ускоряя разрушение образцов с помощью повышенной температуры и электрического поля. Для каждого режима отказа извлекается энергия включения, и для экстраполяции срока службы оксида используется уравнение Аррениуса (см. рисунок 2). Затворный оксид серийного SiC MOSFET может прослужить более 100 лет при высоком напряжении, что гарантирует уверенность в регулярной и надежной работе APU сверх расчетного срока службы.

Рисунок 2. Пример экстраполированного срока службы оксида в серийном SiC MOSFET-транзисторе компании Microchip.

Стабильность встроенного диода:
В отличие от IGBT, SiC MOSFET может проводить обратный ток, используя свой собственный встроенный диод. В некоторых устройствах этот диод со временем деградирует, что приводит к увеличению RDSon и большему нагреву, чем предполагалось. На рисунке 3 показаны вольт-амперные характеристики встроенного диода и сопротивление сток-исток (RDSon) MOSFET в открытом состоянии после многих часов постоянного прямого напряжения [1]. Наблюдались значительные различия между разными производителями. У одного производителя наблюдалась заметная деградация; другой стал непригодным для использования. Выбранные устройства не должны демонстрировать каких-либо заметных изменений. Использование SiC MOSFET со стабильным встроенным диодом повышает надежность и снижает стоимость за счет исключения антипараллельного диода.

Рисунок 3. Сопротивление RDSon до и после воздействия напряжения на коммерчески доступные SiC MOSFET-транзисторы, демонстрирующее различное качество внутренних диодов от трех поставщиков ^[1].

Устойчивость к воздействию окружающей среды: короткое замыкание и лавинный пробой.
Вспомогательные силовые установки подвержены широкому спектру отказов, поэтому необходимо проектировать SiC MOSFET-транзисторы таким образом, чтобы они безопасно выдерживали эти воздействия и сохраняли стабильную производительность до и после отказов.

Показатель устойчивости к короткому замыканию измеряет способность MOSFET выдерживать мгновенное короткое замыкание в цепи постоянного тока между выводами сток-исток. Каналы MOSFET улучшены, что позволяет правильно спроектированному устройству безопасно распределять пиковые токи по площади кристалла MOSFET. На рисунке 4 показано время устойчивости к короткому замыканию (SCWT) серийных SiC MOSFET; в примере Microchip оно составляет от 3 до 14 микросекунд и зависит от напряжения цепи постоянного тока и приложенного VGS. Этого достаточно для многих коммерчески доступных драйверов затвора. Усовершенствованный драйвер, такой как описанный в следующем разделе, добавляет интеллектуальные функции для обнаружения короткого замыкания.

Рисунок 4. Время устойчивости к короткому замыканию для серийных SiC MOSFET.
Устойчивость к лавинному пробою еще более требовательна: ток нагрузки внезапно подается на MOSFET, заставляя напряжение сток-исток повышаться до пробоя. В отличие от короткого замыкания, каналы MOSFET не усиливаются; лавинный ток перегружает край кристалла, быстро доводя устройство до его тепловых пределов.
Для оценки устойчивости устройства к лавинному пробою используется метод повторяющегося нерегулируемого индуктивного переключения (R-UIS). На рисунке 5 показано время диэлектрического пробоя (TDDB) коммерческих SiC MOSFET до и после 100 000 циклов R-UIS. Многие производители поддерживают устойчивость оксида, но возможность тестирования устойчивости в четыре раза большей, наряду со стабильностью RDSon и утечки сток-исток [2], повышает способность SiC MOSFET безопасно выдерживать самые сложные условия электрической перегрузки.

Рисунок 5. Зависимость диэлектрического пробоя от времени до и после повторяющегося лавинного пробоя для коммерчески доступных SiC MOSFET от четырех производителей.

Более быстрое переключение благодаря корпусам с низкой индуктивностью.
В сочетании с высокими коэффициентами усиления, проблемные индуктивности в системе питания приводят к увеличению потерь при переключении, чрезмерному перегрузочному напряжению, несоответствию стандартам электромагнитной совместимости и потенциально к отказам APU. Превентивные меры, которые разработчики должны принимать для снижения скорости MOSFET, могут заставить их задуматься о целесообразности использования SiC.
Корпус SP6LI с низкой индуктивностью от Microchip демонстрирует, как можно решить эти проблемы. Конфигурация фазового каскада вносит менее 3 наногенри паразитной индуктивности в цепь питания. Внутри были проведены оптимизации конструкции для обеспечения идентичного временного и токового распределения. Тепловые характеристики могут быть улучшены за счет использования керамики из нитрида кремния (также предлагается нитрид алюминия), а варианты опорных пластин включают медь и AlSiC. Внешне силовые клеммы обеспечивают низкоиндуктивное соединение с звеном постоянного тока и оптимальное параллельное соединение в двух ориентациях. SP6LI позволяет разработчикам управлять SiC MOSFET-транзисторами на более высоких скоростях с максимальной эффективностью и сниженным уровнем электромагнитных помех, уменьшая размеры APU и избегая сбоев, связанных с электромагнитными помехами.

Драйверы затвора обеспечивают стабильную работу APU.
Производительность и надежность APU также можно оптимизировать с помощью программируемых цифровых драйверов затвора, которые позволяют точно регулировать напряжение переполнения и потери при переключении в режиме реального времени. Это позволяет разработчикам APU снизить стоимость и размеры APU за счет использования низковольтных компонентов и меньших радиаторов, а также избежать многочасовой работы с паяльником и ведром резисторов затвора.
Влияние расширенного переключения показано на рисунке 6. В отличие от обычного выключения (слева), расширенное выключение начинается с напряжения включения 20 В, переходит к запрограммированному пользователем промежуточному уровню на заданное время и, наконец, к состоянию выключения -5 В. Эффекты незначительны из-за исключительно низкой индуктивности SP6LI; результаты, показывающие более выраженное влияние, были опубликованы в других источниках ^[2,3]. Кроме того, события короткого замыкания быстро прекращаются, снижая пиковое напряжение и ток на 60% и 10% соответственно (рисунок 7).

Рисунок 6. Графический пользовательский интерфейс программируемого контроллера дверей AgileSwitch™ и осциллограммы отключения при использовании (слева) традиционного переключения и (справа) расширенного переключения.

Рисунок 7. Демонстрация того, как усиленное переключение (справа) может снизить пиковое напряжение и ток во время короткого замыкания по сравнению с обычным переключением (слева).

комплексных решений на основе SiC-технологий
, стремящимся ускорить переход от двухимпульсной оценки к массовому производству, потребуются комплекты для ускоренной разработки, объединяющие три компонента комплексного решения на основе SiC-технологий для транспортных APU: надежные силовые SiC-устройства, силовой блок с низкой индуктивностью и интеллектуальный драйвер затвора. На рисунке 8 показано, как решение Microchip может быть интегрировано в схему APU.

Рисунок 8: Предлагаемая реализация полномостового фазосдвигателя ASDAK+ от Microchip в DC-DC секции транспортного APU. ^[4]

Аннотация:
Использование SiC MOSFET в вспомогательных силовых установках для транспортных средств обеспечивает существенные преимущества по сравнению с кремниевыми IGBT с точки зрения размеров, веса, эффективности и уровня шума. Однако эти преимущества могут быть достигнуты только при высокой надежности в полевых условиях за счет использования надежных SiC MOSFET, корпуса с низкой индуктивностью и достаточно интеллектуального драйвера затвора, способного использовать преимущества гибкой работы SiC. Теперь разработчики могут решать задачи проектирования транспортных APU с помощью комплексных систем на основе SiC, которые одновременно уменьшают размеры, уровень шума и количество отказов в полевых условиях транспортных APU.

[1] Агарвал, А. и Канг, М., личное сообщение, 2020. [2] Спир, К., Сатиш, Н., Кашьяп, А. и Бонтемпс, С., «Оптимизированная разработка SiC с помощью комплексного системного решения», журнал IEEE Power Electronics, том 28-35, 2020. [ 3] Сатиш, Н., Робинс, К. и Фендер, А., «Состояние интеллектуальных драйверов затвора SiC MOSFET», Bodo's Power Systems, стр. 30-33, февраль 2018 г. [4] Сатиш, Н., «Кремниевые карбидные MOSFET: обращайтесь с осторожностью», в Proc. Конференция по прикладной силовой электронике (APEC), Сан-Антонио, Техас, США, 2018. [5] Хаясия, Х. и Кондо, К., «Последние тенденции в применении силовой электроники как решения в электрических железных дорогах», Труды IEEJ по электротехнике и электронике, том 15: 632-645, 2020.

Автор: Кевин Спир, Нитеш Сатиш и Марк Роммерсвинкель, Microchip Technology