Решения на основе карбида кремния (SiC) предлагают более компактные, легкие и эффективные электрические альтернативы пневматическим и гидравлическим системам самолетов для питания бортовых генераторов, исполнительных механизмов и вспомогательных силовых установок (ВСУ). Они также снижают требования к техническому обслуживанию этих систем. Но наиболее ярким примером вклада технологии SiC является электрификация коммерческого транспорта, который является одним из крупнейших источников выбросов парниковых газов в мире. С появлением полевых транзисторов на основе металлооксидного полупроводника (MOSFET) с напряжением 1700 вольт (В) и 3,3 кВ, а также технологии MOSFET, современные решения на основе SiC позволяют разработчикам достигать максимальной производительности этих систем при минимальном энергопотреблении.

Расширенный портфель SiC-компонентов Microchip предоставляет разработчикам ресурсы, необходимые для создания более компактных, легких и эффективных решений для электрического транспорта, возобновляемой энергетики, аэрокосмической отрасли и промышленного применения. MOSFET-транзисторы и SBD-диоды Microchip с напряжением 3,3 кВ дополняют широкий ассортимент SiC-продуктов компании, который включает в себя кристаллы, дискретные компоненты, модули и цифровые драйверы затвора на 700 В, 1200 В и 1700 В. Силовые SiC-устройства Microchip с напряжением 3,3 кВ включают MOSFET-транзисторы с самым низким в отрасли сопротивлением RDS(on) 25 мОм и SBD-диоды с самым высоким в отрасли номинальным током 90 ампер. Как MOSFET-транзисторы, так и SBD-диоды доступны в виде кристаллов или корпусов. Эти новые уровни производительности позволяют разработчикам упростить свои проекты, создавать более мощные системы и использовать меньшее количество компонентов параллельно для создания более компактных, легких и эффективных решений в области питания.

Преимущества 1700-вольтовых SiC MOSFET:
Переход на 1700-вольтовые MOSFET расширил преимущества преобразования энергии, обеспечиваемые технологией SiC, на электромобили коммерческого и тяжелого транспорта, а также на тяговые системы легкорельсового транспорта и вспомогательные силовые установки. Эти устройства обеспечивают работу силовых установок сегодня и завтра и быстро заменяют более старые кремниевые MOSFET и биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT). Они отвечают высоким требованиям к мощности и напряжению некоторых из крупнейших в мире источников выбросов парниковых газов в эквиваленте углекислого газа (CO2), таких как автобусы, поезда, грузовики средней и большой грузоподъемности и зарядная инфраструктура. Они также обеспечивают значительно более высокую эффективность и надежность системы, чем кремниевые MOSFET и IGBT, что позволяет разработчикам уменьшать размеры вспомогательных силовых установок (APU) и других ключевых систем транспортного средства.
Современные 1700-вольтовые SiC устройства снижают потери при переключении до доли от потерь в кремниевых IGBT. Это позволяет разработчикам увеличивать частоту переключения и уменьшать размеры преобразователей мощности. В отличие от IGBT, эти устройства не имеют напряжения покоя, поэтому потери проводимости также ниже в системах, таких как вспомогательные силовые установки (ВСУ) транспортных средств, работающих в условиях «малой нагрузки» — то есть, при открывании и закрывании дверей поезда, которые в основном закрыты. Поскольку подавляющее большинство приложений работает в условиях малой нагрузки на протяжении большей части своего срока службы, разработчики могут использовать сочетание низких потерь при переключении и проводимости SiC MOSFET для исключения различных мер по управлению тепловым режимом, таких как радиаторы.

Упрощенная топология схемы и уменьшенное количество компонентов современных высоковольтных SiC MOSFET также повышают надежность и снижают затраты. Их блокирующее напряжение 1700 В уменьшает размер преобразователя мощности и позволяет разработчикам заменить трехуровневые схемные архитектуры гораздо менее сложной двухуровневой схемой. Это уменьшает количество устройств вдвое или более, а также упрощает управление.

Важные соображения относительно SiC MOSFET:
При выборе SiC MOSFET для тяжелых транспортных средств и других многомегаваттных приложений разработчикам необходимо учитывать несколько важных факторов. Одним из них является удобство использования модульных решений на основе базовой элементарной ячейки (также известной как блок силовой электроники или субмодуль).
Исторически сложилось так, что в элементарных ячейках использовались силовые полупроводниковые приборы на основе кремниевых IGBT с напряжением от 1200 до 1700 В. Как и в случае с менее мощными приложениями, использование SiC MOSFET на 1700 В на уровне элементарной ячейки расширяет возможности по управлению мощностью и улучшает электрические характеристики. Как упоминалось ранее, SiC MOSFET на 1700 В имеют гораздо меньшие потери при переключении, что позволяет увеличить частоту переключения и значительно уменьшить размер каждой элементарной ячейки.

Кроме того, высокое блокирующее напряжение в 1700 В уменьшает количество ячеек, необходимых для обеспечения того же напряжения звена постоянного тока, что в конечном итоге повышает надежность системы и снижает ее стоимость.
Разработчики также должны оценить надежность встроенного диода SiC MOSFET. Устройства не должны демонстрировать каких-либо заметных изменений сопротивления сток-исток (RDS(on)) до и после стресс-тестирования. Это крайне важно для обеспечения их не деградации после многих часов работы при постоянном прямом напряжении, поскольку они проводят обратный ток и отключают оставшуюся энергию после цикла переключения. Разработчикам следует внимательно изучить результаты тестирования SiC MOSFET, поскольку существует значительная вариация среди устройств разных производителей. Многие демонстрируют хотя бы некоторый уровень деградации, в то время как другие могут даже стать нестабильными. Выбор недеградирующего SiC MOSFET устраняет необходимость во внешнем антипараллельном диоде и связанную с этим стоимость кристалла и занимаемое им место в силовом модуле.
Однако проблемы, связанные с потенциально непостоянными уровнями производительности встроенного диода, все еще могут возникать, причем в некоторых устройствах это проявляется сильнее, чем в других. Эту проблему можно решить, регулируя параметры включения SiC MOSFET с помощью конфигурируемых цифровых драйверов затвора. Эти же драйверы используются для смягчения побочных эффектов более высоких скоростей переключения SiC MOSFET, таких как шум и электромагнитные помехи (ЭМП), а также ограниченное время работы при коротком замыкании и перенапряжение, вызванное паразитной индуктивностью и перегревом. Конфигурируемое цифровое управление затвором стало ключом к раскрытию всего потенциала технологии SiC.

Решение проектных задач и создание новых возможностей.
Конфигурируемые цифровые драйверы затвора специально разработаны для смягчения побочных эффектов более высоких скоростей переключения SiC MOSFET. Помимо снижения избыточного напряжения сток-исток (VDS) до 80% по сравнению с традиционным аналоговым подходом, они уменьшают потери при переключении до 50% и сокращают время выхода на рынок до шести месяцев. Они могут генерировать/поддерживать пиковый ток до 20 А и обеспечивать изолированный DC/DC преобразователь с низкоемкостным барьером, который может использоваться для сигналов широтно-импульсной модуляции и обратной связи по неисправностям. Они также обеспечивают надежный мониторинг и обнаружение неисправностей, предлагая независимую реакцию на короткое замыкание, и обеспечивают гораздо более точное управление включением/выключением MOSFET, чем традиционные аналоговые драйверы затвора, которые управляют только наклоном выключения с помощью резисторов затвора в нормальных условиях и условиях короткого замыкания. Даже когда стандартные аналоговые драйверы затвора адаптированы для использования с SiC MOSFET, они не могут обеспечить эти возможности.

Конфигурируемые цифровые драйверы затвора также обеспечивают новые, расширенные возможности переключения. Это позволяет разработчикам значительно сократить время разработки, изучая различные конфигурации и повторно используя их для разных параметров драйвера затвора, таких как профили переключения затвора, критически важные системные мониторы и настройки интерфейса драйвера. Возможность быстро адаптировать драйверы затвора к различным приложениям без изменений оборудования сокращает время разработки от этапа оценки до производства. Параметры управления могут быть изменены на любом этапе процесса проектирования, а разработчики также могут изменять профили переключения на лету в зависимости от условий применения и/или по мере деградации SiC MOSFET.

Расширенные возможности переключения продолжают развиваться. Цифровое управление затвором теперь предлагает до двух этапов управления включением питания, по сравнению с одним этапом у традиционных аналоговых контроллеров, и до трех уровней управления выключением питания. Это обеспечивает «мягкое выключение» питания, очень похожее на срабатывание тормозов в антиблокировочной системе. Добавление четвертого уровня регулировки короткого замыкания позволяет еще точнее контролировать побочные эффекты скорости переключения SiC, а также устранять перерегулирование, шум и энергию выключения питания, среди прочих переменных. Эти функции предлагают разработчикам сочетание более быстрого переключения и более детального, динамического многоступенчатого управления включением и выключением питания, что позволит им удовлетворить растущие потребности приложений на основе SiC.

Один из примеров — управление двигателем. Когда скорость изменения напряжения (dV/dt) слишком высока, срок службы двигателя сокращается, и, следовательно, увеличиваются затраты на гарантийное обслуживание. До появления высокочастотных двигателей единственный способ решить эту проблему с помощью аналоговых драйверов затвора — это снизить скорость переключения карбида кремния (SiC), но это снижает эффективность. Только благодаря расширенным и настраиваемым возможностям переключения цифровых драйверов затвора можно точно регулировать dV/dt для быстрого достижения наилучшего возможного компромисса. На рисунке 1 показаны различия между аналоговыми драйверами затвора и новым поколением цифровых технологий.
Рисунок 1: Сравнение традиционного аналогового драйвера затвора с двумя поколениями настраиваемых цифровых драйверов затвора.

Комплексные решения:
Полная экосистема SiC предлагает прямой путь от оценки до производства. Ключевые элементы включают ядро ​​драйвера затвора, платы-адаптеры модулей, модуль питания с низкой индуктивностью SP6LI, крепежные элементы и разъемы для термистора и постоянного напряжения. Необходимо предоставить комплекты программирования для конфигурируемого программного обеспечения.
Платы-адаптеры модулей особенно важны. Они повышают гибкость, позволяя разработчикам быстро настраивать и повторно использовать напряжения включения/выключения драйвера затвора. Это можно сделать со многими SiC MOSFET от разных производителей с различными диапазонами положительных или отрицательных напряжений, без необходимости перепроектирования. Это справедливо даже в том случае, если SiC MOSFET ранее использовался с аналоговым драйвером затвора. Простая переконфигурация цифрового драйвера затвора позволяет разработчикам немедленно перевести решение в производство. Тем временем они могут продолжать комбинировать ядра драйверов затвора и платы-адаптеры модулей, следуя тому же ускоренному пути к производству. Тестирование может начаться немедленно с модулем питания с низкой индуктивностью SP6LI, подключенным к ноутбуку и фазовому каскаду.

Сочетание решений для управления питанием на основе SiC MOSFET с напряжением 1700 В с технологией цифровых приводов дверей уже оказало значительное влияние на «электрификацию всего», и, в частности, на большегрузные транспортные средства. Это позволило технологии SiC удовлетворить потребности этих транспортных средств в преобразовании энергии, одновременно повысив эффективность и надежность. Кроме того, увеличенная коммутационная способность, обеспечиваемая конфигурируемыми цифровыми приводами дверей, ускоряет и упрощает путь от проектирования до производства, а также создает новые возможности, включая изменение профилей переключения на лету в зависимости от условий применения и/или по мере деградации SiC MOSFET.

В комплексных системных решениях решения на основе SiC создают силовые установки для настоящего и будущего, позволяющие освободить место для большего количества пассажиров за счет использования гораздо меньших по размеру вспомогательных силовых установок (APU) в электрифицированных метрополитенах, вагонах метро и других тяжелых транспортных средствах. Одним из наиболее ценных преимуществ, высоко ценимых разработчиками, является то, что использование настраиваемого цифрового управления затвором в этих устройствах исключает трудоемкий процесс пайки резисторов затвора на плату для изменения параметров работы. Теперь все это можно сделать одним нажатием кнопки, ускоряя электрификацию всего.

Нитеш Сатиш, Томаш Кречек, Перри Шугарт, Сюнин Чжан и Кевин Спир, Microchip Technology