1700V SiC MOSFETy: na cestě od wattů k megawattům

Ve světě výkonové elektroniky není pravda, že větší je také lepší. Platí to zejména u vysokonapěťových systémů napájení, kde vývojáři požadují kvalitnější technologii polovodičů, aby tak vyhověli požadavkům zákazníků na měniče, které budou ještě menší, lehčí, spolehlivější, účinnější a také méně drahé. S křemíkovými MOSFETy a stejně tak i tranzistory IGBT se kompromisům nevyhneme. Bude např. nutné zvolit buď nejspolehlivější řešení, nebo nejúčinnější návrh, ale ne obojí. Způsob, jak se mohou vývojáři osvobodit z pout klasického křemíku, spočívá ve vysokonapěťových MOSFETech na bázi karbidu křemíku (SiC).

Výkonové prvky SiC se jmenovitým rozsahem od 650 do 1200 V pronikaly skoro dvě desetiletí na trh a vývojářům nakonec umožnily posunout se výrazně kupředu, pokud jde o technologie a koncová zařízení, kdy souběžně zlepšujeme výkon, spolehlivost, rozměry, hmotnost, a dokonce i cenu. Nedávné představení rodiny 1700V produktů SiC dále rozšiřuje bezpočet výhod zmíněné technologie pro napájecí řetězec, takže se s příslušnou konverzí posouváme do nových oblastí, jako jsou elektrifikovaná komerční a také pracovní vozidla, trakční nebo i pomocné napájení pro lehká kolejová vozidla, obnovitelné zdroje energie nebo průmyslové pohony.

V tomto článku se na výhody nabízené 1700V SiC MOSFETy oproti „úřadujícím“ křemíkovým řešením, napříč širokým rozsahem výkonových úrovní, od wattů až po megawatty, podíváme podrobněji.

Desítky až stovky wattů

Kde se může 1700V tranzistor uplatnit při takto nízkých úrovních výkonu? Ačkoli je cílová oblast pouze jedna, potkáváme se s ní všude. Jedná se o zdroj AuxPS (auxiliary power supply), který najdeme v každém systému výkonové elektroniky, kde také bude nezbytný pro běžnou činnost průmyslových budičů motorů, elektrovozidel, datových center a záložních zdrojů, střídačů v solárních systémech, nabíjecí infrastruktury a řady dalších aplikací. AuxPS zde hraje klíčovou roli, protože zajišťuje napájení budičům hradla, snímacím a také řídicím obvodům nebo ventilátorům sloužícím k chlazení, takže nesmí selhat a všechna související rizika by měla být rovněž minimalizována.

Obr. 1  Z výhodných vlastností vysokonapěťových MOSFETů SiC bude těžit celá flotila elektrifikovaných pracovních vozidel

Vzhledem k tomu, že se takové izolované spínané zdroje napájení o malém výkonu používají v různých systémech po celém světě, musí počítat s vysokonapěťovým DC vstupem v širokém rozsahu (300 až 1000 V), zatímco na výstupu zajišťují nižší napětí (5 až 48 V). Nejúčinnější způsob, jak zmírnit hrozící selhání, zřejmě spočívá ve zjednodušení obvodového návrhu. Z obr. 2 vyplývá, že nejspolehlivější řešení bude tvořeno topologií Flyback s jediným spínačem (schéma vpravo), které zde přináší jednoduchost a také menší počet součástek, což se dále vhodně podepisuje i pod nižšími celkovými náklady.

Obr. 2  Topologie se dvěma spínacími prvky (vlevo) využívající křemíkových tranzistorů může být nahrazena o dost jednodušším zdrojem typu Flyback s jediným spínačem (vpravo), kdy také nasazujeme 1700V SiC MOSFETy – za nižší cenu a s ještě lepšími parametry

Nové 1700V SiC MOSFETy představují pro zdroje AuxPS ideální řešení. Díky spojení vysokého průrazného napětí, nižšího specifického odporu v sepnutém stavu a také rychlého spínání se dobře hodí právě pro topologii flyback s jediným spínacím prvkem. Křemíková řešení mají při srovnání buď příliš malý napěťový rozsah, který si žádá architekturu se dvěma spínači (viz také obr. 2 vlevo) a zdvojnásobuje zde i možnost selhání, nebo sice mívají postačující rozsah napětí, ale degradují je chabé vlastnosti, omezený počet výrobců a v kontextu SiC i vyšší cena.

Kromě zvýšené spolehlivosti, jednoduššího způsobu řízení, menšího počtu součástek nebo klesající ceny mohou být zdroje AuxPS vystavěné na 1700V SiC MOSFETech také i menší. Odpor v sepnutém stavu, který je normalizovaný s ohledem na plochu a rovněž se označuje jako specifický (R_on,sp), tvoří v případě MOSFETů SiC zlomek hodnoty definované jinak pro křemíkové MOSFETy. To znamená, že pro menší čipy lze rovněž použít menší pouzdra a dosahujeme zde i nižších ztrát při vedení proudu, takže si nakonec vystačíme s drobnějšími chladiči, pokud jsme se jich ovšem nezbavili úplně. Ale nejen to, MOSFETy SiC vykazují též nižší spínací ztráty a otevírají tím díky rostoucí frekvenci spínání cestu k menším, lehčím a také levnějším transformátorům.

Desítky až stovky kilowattů

Pokud se na výkonové stupnici posuneme dále, 1700V SiC MOSFETy nabízí oproti křemíkovým MOSFETům a tranzistorům IGBT spoustu výhod i v aplikacích s výkony od desítek do stovek kilowattů. Pro ilustraci si uveďme střídače ve fotovoltaice, centrální, ale též pro dané větve, APU (auxiliary power unit) v užitkových vozidlech, indukční ohřev a svářečky, průmyslové pohony, měniče pro větrné elektrárny apod.

Rostoucí výkony si žádají rychlejší a také účinnější spínání s tranzistory SiC. Ve srovnání s křemíkovými IGBT snižují MOSFETy SiC spínací ztráty v průměru o 80 % a měničům tak umožňují zvyšovat spínací kmitočet a zmenšovat rozměry, hmotnost i cenu jinak rozměrných a drahých transformátorů. A třebaže jsou ztráty při vedení proudu pro MOSFETy SiC a křemíkové IGBT při vysokém zatížení podobné, spousta aplikací stejně tráví většinu svého času činností pod tzv. „lehkým zatížením“. Uveďme si některé příklady. Solární střídače pracují ve dnech, kdy máme zataženou oblohu nebo i ve stínu, v případě větrné turbíny zase nefouká a dveře ve vlaku, které se otevírají a zavírají díky APU, ty jsou prakticky neustále uzavřené. Za těchto zcela běžných podmínek lehkého zatěžování nabízí MOSFETy SiC nižší ztráty při vedení v návaznosti na menší spínací ztráty, takže dokážeme zmenšit velikost chladičů nebo zjednodušit i další opatření související s řízením teploty.

Z pohledu spolehlivosti MOSFETy SiC umožňují vývojářům zjednodušit obvodový návrh a také způsob řízení, stejně jako snížit počet součástek, což je pochopitelně provázáno i s nižší cenou. Kvůli potřebě dodávat vyšší výkony se v případě zmíněných měničů o středním výkonu používá rostoucí DC napětí, zpravidla mezi 1000 a 1300 V. Pokud se v kontextu vysokých DC napětí rozhodneme pro křemíkové tranzistory, musíme díky požadavkům na účinnost vybírat z několika složitých obvodových řešení „3L“. Dle obr. 3 to zahrnuje systém NPC (neutral point clamped) s diodami, aktivní NPC nebo zapojení typu T. Nasazení 1700V MOSFETů SiC naproti tomu vývojářům umožní vymanit se z podobných omezení a najít si cestu zpět k elegantnějšímu zapojení „2L“ znázorněnému na obr. 3 vpravo, kdy také snížíme počet součástek na polovinu a zefektivníme řízení.

Obr. 3  Složitá obvodová topologie „3L“ (vlevo) s křemíkovými tranzistory IGBT může být dále zjednodušena díky elegantnějšímu a také spolehlivějšímu řešení „2L“ (vpravo) na základě modulů s 1700V SiC MOSFETy, kterých zde bude polovina, nebo (!) ještě méně

Za zmínku stojí též význam pouzdření a náležitého buzení hradla u výkonových MOSFETů SiC. Protože prvky SiC mohou velmi rychle spínat s vysokými úrovněmi výkonu, musíme pečlivě zabránit překmitům napětí a snižovat rušivé vyzařování. Měniče středního výkonu v těchto aplikacích při napájení 1000 až 1300 V do jedné mikrosekundy obvykle vypínají stovky ampér, takže se neobejdeme bez nejmenší možné indukčnosti pouzdra, chytrých a rychle reagujících budičů hradla nebo též optimálního layoutu celého systému.

Pokud vývojáři sáhnou po výkonových pouzdrech SP6LI firmy Microchip Technology ve spojení s rodinou digitálních budičů hradla AgileSwitch^®, dostanou již hotové řešení, se kterým lze vytěžit maximum z 1700V SiC MOSFETů, aniž by bylo nutné čelit zmiňovaným častým problémům.

Megawatty

V rámci výkonového rozsahu v řádu megawattů budou klíčové faktory při návrhu zahrnovat snadnou rozšiřitelnost a minimální údržbu, což si vynucuje modulární řešení s využitím elementárních prvků. Jak vyplývá z obr. 4, takové prvky, které se v oblasti výkonové elektroniky někdy označují též jako stavební bloky nebo sub-moduly, máme konfigurovány jako kaskádní měniče s můstkem typu H nebo MMC (modular multi-level converter). Mezi aplikace v této výkonové třídě patří SST (solid-state transformer), systémy pro distribuci DC napětí, TPU (traction power unit) pro pracovní a užitková vozidla, centrální solární střídače a měniče pro příbřežní větrné elektrárny nebo např. systémy pro konverzi napájení na palubě lodi.

 Obr. 4  Modulární víceúrovňový měnič s několika bloky pro dosažení požadovaného jmenovitého výkonu a dvěma příklady, jak lze u takového systému s jednoduchou konfigurací „2L“použít 1700V SiC MOSFETy

V minulosti se pro takové bloky používaly výkonové polovodiče v podobě 1200 až 1700V křemíkových IGBT. Stejně jako u aplikací o nižším výkonu bude nasazení 1700V MOSFETů SiC na úrovni bloků i zde navyšovat výkonovou zatížitelnost a zlepšovat elektrické vlastnosti. Jak už bylo zmíněno, takové tranzistory vykazují mnohem nižší spínací ztráty, takže lze zvyšovat spínací kmitočet a zásadně snižovat rozměry každého bloku. Vysoké napětí 1700 V navíc znamená snížení počtu bloků potřebných pro stejné DC napětí, což nakonec zlepšuje spolehlivost systému a snižuje náklady.

Závěr

Z nástupu 1700V MOSFETů SiC těží celá řada aplikací a koncových zařízení, když za menší cenu nabídnou rostoucí spolehlivost – obojí je navíc možné při současném snižování velikosti či hmotnosti měničů a jejich zvyšující se účinnosti. Vysokonapěťové MOSFETy SiC umožňují vývojářům nechat kompromisy spojené s křemíkem a prováděné v řádu wattů až megawattů za sebou a zásadní měrou zkvalitnit systémy sloužící ke konverzi napájení. Vedle nejodolnějších výkonových prvků SiC ve své třídě to pak bude pokročilý způsob zapouzdření s mimořádně nízkou parazitní indukčností a také digitální budiče hradla, co vývojářům pomůže vytěžit maximum z této technologie a zkrátit dobu potřebnou k uvedení na trh.

Společnost Microchip Technology svou nabídku součástek SiC dále rozšiřuje o 3,3kV MOSFETy SiC s vůbec nejnižším odporem v sepnutém stavu R_DS(on) a také SiC SBD s nejvyšší proudovou zatížitelností, kdy vývojářům umožňuje těžit z robustnosti, spolehlivosti a také technických vlastností. 3,3kV MOSFETy a SBD od Microchipu jinak doplňují rozsáhlou nabídku produktů SiC od tohoto výrobce, která zahrnuje 700V, 1200V a 1700V čipy, diskrétní součástky, moduly nebo i digitální budiče hradla.