От строительных технологий до пассажирских и грузовых перевозок — мы сталкиваемся со значительными изменениями во всех аспектах повседневной жизни. В этом контексте возникает новая концепция: электромобильность. Автопроизводители, промышленные компании и научно-исследовательские институты работают рука об руку над разработкой полностью электрических транспортных средств и необходимой инфраструктуры. Ожидания от электромобилей значительно возросли за последний год. В последние годы различные компании исследовали и тестировали новые концепции тяги. Первые гибридные и электрические модели уже доступны на рынке. В автомобили теперь интегрируются новые компоненты, отсутствовавшие в обычных дизельных/бензиновых автомобилях, такие как электронные силовые установки.
Примерами таких систем являются следующие:
- Инверторы для управления двигателем (до 300 кВт)
- Зарядные устройства для аккумуляторов (автомобильные зарядные устройства) от 3,6 кВт до 22 кВт
- Индуктивная зарядка (беспроводная зарядка) от 3,6 кВт до 22 кВт
- DC/DC преобразователь до 5 кВт
- Инвертор для вспомогательных устройств, таких как системы кондиционирования воздуха, гидроусилитель руля, водяные насосы и т. д.
В вышеперечисленных системах силовая электроника играет решающую роль в обеспечении функциональности гибридных и электромобилей.
кремния (SiC) — эффективный полупроводниковый материал.
Требования, предъявляемые производителями оригинального оборудования (OEM) в автомобильной промышленности к системам силовой электроники, представляют собой серьезную проблему для разработчиков этих систем. В частности, ключевыми факторами являются занимаемое пространство, вес и эффективность. Кроме того, общая стоимость системы и трудозатраты на этапе проектирования должны быть низкими; в то же время необходимо гарантировать качество продукции и безопасную эксплуатацию.
Эффективность традиционной силовой электроники основана на кремниевых полупроводниковых технологиях и обычно составляет от 85% до 95%. Это означает, что примерно 10% электрического тока теряется в виде тепла при каждом преобразовании энергии. В целом, эффективность силовой электроники в значительной степени ограничена характеристиками силовых полупроводников. Благодаря своим физическим свойствам полупроводниковый материал SiC обладает огромным потенциалом для удовлетворения требований этих рыночных тенденций.
По сравнению с кремниевыми полупроводниковыми приборами, напряженность электрического поля SiC почти в десять раз выше (2,8 МВ/см против 0,3 МВ/см). Более высокая напряженность электрического поля этой высокоомной подложки из SiC позволяет наносить на структуру SiC более тонкие слои, известные как эпитаксиальные слои. Это эквивалентно одной десятой толщины эпитаксиальных слоев кремния. Концентрация легирования SiC может быть на два порядка выше, чем у кремния при том же блокирующем напряжении. Следовательно, поверхностное сопротивление (RonA) компонента снижается, что приводит к значительному уменьшению фазовых потерь. Тепловое
проектирование играет решающую роль в электронных силовых системах для проектирования высокой плотности мощности и, следовательно, для создания компактных систем. В качестве полупроводникового материала SiC отлично подходит для этих применений, поскольку его теплопроводность почти в три раза выше, чем у кремниевых полупроводниковых приборов. SiC также подходит для более высоких рабочих температур по сравнению с кремниевыми полупроводниками.
Рассеяние энергии полупроводниковыми приборами:
В работе электронных силовых систем энергия теряется при протекании тока и переключении полупроводниковых компонентов. Общие потери энергии в электронных силовых системах состоят из статических потерь и потерь при переключении. Статические потери возникают в основном тогда, когда силовой компонент находится в проводящем состоянии. Потери при переключении возникают в результате переключения полупроводников. Чем выше частота переключения во время работы, тем выше потери при переключении.
Частота переключения в электронных силовых системах часто определяется в зависимости от области применения и конкретных ограничений системы. Например, частота переключения электропривода определяется требуемой выходной частотой двигателя. Для определения соответствующей частоты переключения необходимо также учитывать другие факторы, такие как резонансное поведение всей системы, электромагнитная совместимость (ЭМС) и теплоотвод. Помимо потерь энергии в силовых полупроводниковых приборах, существуют также потери в пассивных компонентах, таких как трансформаторы, индукторы и конденсаторы, в цепи. Взаимодействие между силовыми полупроводниками и пассивными компонентами, такими как индукторы и трансформаторы, становится решающим фактором в достижении высокой удельной мощности в системе. Поэтому при проектировании электронных силовых систем необходимо учитывать физические свойства пассивных компонентов и полупроводников.
Статические и коммутационные потери, а также потери пассивных компонентов, вносят вклад в общие потери энергии в системе, которые могут преобразовываться в тепло. Выделяемое тепло должно рассеиваться через подходящую охлаждающую среду для обеспечения надежности компонентов и системы. В принципе, коммутационные потери происходят в одном процессе переключения, например, при переключении полупроводников. Увеличение частоты переключения приводит к увеличению общих коммутационных потерь, что, в свою очередь, существенно влияет на общие потери энергии. В некоторых электронных силовых системах транспортных средств высокая частота переключения предпочтительна для соответствия требованиям или спецификациям системы. В такой системе коммутационные потери будут составлять значительную часть общих потерь энергии системы. Если в таких приложениях с высокими частотами переключения используются кремниевые полупроводники, то высокое рассеивание мощности и, как следствие, тепловыделение вынуждают разработчиков системы обеспечивать функциональность и надежность системы. Другими словами, высокая частота переключения подразумевает меньшее энергопотребление. Однако, если в таких приложениях необходимы высокие токи нагрузки, то общий размер системы должен соответственно увеличиться. На данном этапе эта мера была бы неизбежна, но она не отвечает ожиданиям конечного пользователя. Можно сказать, что кремниевые полупроводники практически достигли своих пределов.
При сравнении SiC MOSFET и кремниевого IGBT в приложениях, характеризующихся высокими частотами переключения, можно утверждать, что выходной ток необходимо уменьшить из-за высоких потерь при переключении кремниевого IGBT и выделяемого при этом тепла. Это единственный способ избежать превышения максимальной рабочей температуры чипа и гарантировать работоспособность полупроводника.
Текст на графике: Конкурент; Частота переключения (кГц), SiC обеспечивает более высокий ток нагрузки при более высоких частотах переключения. Ток нагрузки (Arms).
При использовании SiC все выглядит иначе. Полупроводник SiC обеспечивает лучшие характеристики переключения, чем кремниевый IGBT. Следовательно, SiC вызывает меньшие потери при переключении на более высоких частотах переключения. В результате в приложениях можно получить более высокий ток нагрузки при высоких частотах переключения по сравнению с кремниевым IGBT.
На рисунке 2 представлено сравнение полумостового модуля на основе карбида кремния (BSM300D12P2E001) с четырьмя различными модулями IGBT от одного производителя.
Это изображение наглядно демонстрирует, что при высоких частотах переключения SiC MOSFET более эффективен, чем кремниевый IGBT. При использовании модуля IGBT на 300 А и частоте переключения 40 кГц в приложении не удалось достичь нагрузочного тока не более 80 А. В отличие от этого, с использованием модуля SiC на 300 А Rohm удалось достичь нагрузочного тока в 200 А. Это представляет собой увеличение нагрузочного тока на 120% по сравнению с кремниевым IGBT.
Для разработки компактных силовых электронных систем разработчикам необходимо использовать оптимальное охлаждение. За последние несколько лет на рынок вышло несколько новых концепций охлаждения для решения этих проблем; однако, как правило, это очень дорогие концепции, которые иногда вызывают проблемы в приложениях. Эти проблемы возникают не только на этапе разработки, но и во время производства и эксплуатации. Благодаря использованию эффективного полупроводникового материала, такого как SiC, этот сложный процесс охлаждения может быть исключен, что приводит к снижению затрат на охлаждение и упрощению эксплуатации системы.
Миниатюризация силовых электронных систем:
Автопроизводители предъявляют к силовым электронным системам различные требования, ориентируясь на сценарии применения в электромобилях. К ним относятся, например, устойчивость к перепадам температуры, виброустойчивость, надежная работа при различных температурах и длительный срок службы. Кроме того, автопроизводители теперь считают крайне важным требование высокой удельной мощности в интегрированных системах. Однако все эти требования представляют собой серьезную проблему для силовой электроники.
Запас хода высоковольтных батарей является одним из самых больших препятствий на пути внедрения гибридных и электромобилей. Чтобы убедить конечного потребителя (т.е. автовладельца) в преимуществах электромобильности, некоторые автопроизводители в настоящее время полагаются на системы быстрой зарядки, разработанные для упрощения использования электромобилей. Однако с технической точки зрения быстрая зарядка подразумевает необходимость более высокой производительности зарядки за короткий период времени для полной зарядки батареи. Поскольку доступное пространство внутри автомобиля всегда ограничено, система зарядки батареи должна обладать высокой удельной мощностью. Это единственный способ интегрировать эти системы в автомобиль, удовлетворяя при этом требованиям рынка.
Бортовые зарядные устройства представляют собой сложные системы, состоящие из различных компонентов для преобразования энергии. Эти системы объединяют несколько компонентов, таких как полупроводники (например, диоды и MOSFET), пассивные компоненты (например, индукторы и конденсаторы) и трансформатор с коэффициентом трансформации, адаптированным для зарядки батареи до требуемого напряжения. Трансформатор также используется для гальванической развязки высоковольтной батареи во время зарядки.
Один из способов миниатюризации силовой электроники — это уменьшение размеров пассивных компонентов, таких как индукторы и трансформаторы. Это, как правило, возможно только в том случае, если полупроводники, используемые в схеме, могут управляться на высокой частоте переключения. В случае кремниевых полупроводников тепловая нагрузка, создаваемая высокими частотами переключения, ограничивает этот подход. В отличие от них, SiC MOSFET идеально подходит для таких применений благодаря своим превосходным характеристикам переключения.
На рисунке 3 это иллюстрируется на примере: для преобразователя постоянного тока, использующего кремниевые полупроводники, частота переключения ограничена 25 кГц. Используя SiC MOSFET, можно достичь частоты переключения 160 кГц. Это приводит к существенной миниатюризации всей системы, повышению качества обмотки, а также к высокой удельной мощности и значительному снижению общего веса.
Вес – кремниевая полупроводниковая система – полупроводниковая система SiC
Объем – размер чипа
Преимущества полупроводников на основе карбида кремния (SiC) наконец-то были признаны автопроизводителями. Первые продукты, в частности, диоды SiC от Rohm, используются для бортовой зарядки в ряде серийных автомобилей по всему миру. Rohm также вскоре предложит первый в мире автомобильный SiC MOSFET. Помимо систем зарядки аккумуляторов, полупроводники SiC обещают огромный потенциал в таких областях применения, как преобразователи постоянного тока и приводные инверторы. Rohm предлагает специальные решения для этих типов применений.
Второе поколение диодов Шоттки на основе SiC (SBD) от Rohm в настоящее время включает продукты для напряжения 650 В с током от 5 до 100 А, а также для напряжения 1200 В и 1700 В с токовой нагрузкой до 50 А. Ассортимент SiC MOSFET от Rohm еще шире, поскольку компания предлагает две различные технологии: планарную и двухтраншейную. Планарные технологии уже предлагают дискретные продукты и модули в диапазонах напряжений 650 В, 1200 В и 1700 В с токовой нагрузкой до 300 А.
Компания ROHM запускает серийное производство SiC MOSFET третьего поколения для дискретных компонентов, а также готовых SiC модулей с использованием собственной запатентованной технологии двойного траншейного монтажа, расширяя существующее семейство MOSFET-продуктов и внося вклад в разработку эффективной и надежной силовой электроники.
Автор: Али Машали, руководитель отдела силовых систем компании ROHM Semiconductor GmbH
