750A / 3300V Dual SiC-модули Mitsubishi Electric

---

Как правило, появляющаяся технология SiC связана с очень высокими частотами переключения, что приводит к уменьшению габаритов силовых ключей.

Эта статья фокусируется на исследовании переключения устройств SiC и сравнивает технологии модулей Full SiC (полностью на карбиде кремния) и Hybrid SiC (на карбиде кремния только обратный диод). Все рассматриваемые модули рассчитаны на 3,3 кВ и аналогичные диапазоны тока, чтобы дать справедливое и наглядное сравнение. Наконец, в статье дается обзор будущей высоковольтной технологии SiC 6,5 кВ.

Введение

С 1990-х годов Mitsubishi Electric занимается исследованиями и разработкой полупроводниковых приборов из карбида кремния (SiC). С 2017 года была завершена разработка устройств 3,3 кВ. В этом модуле Full SiC напряжением 3,3 кВ используется новейшая двойная упаковка LV100, которая рассчитана на 750 А (см. Рис. 1).

 

При увеличении блокирующих напряжений электрическое сопротивление полевых МОП-транзисторов постоянно увеличивается. Поэтому кремниевые (Si) МОП-транзисторы обычно доступны до 600 В. Для более высоких уровней напряжения полупроводники на основе Si требуют использования биполярных устройств, которые способны уменьшать напряжение во включенном состоянии посредством модуляции проводимости. Поэтому высоковольтные Si-устройства обычно представляют собой биполярные IGBT с обратными диодами PiN.

Вследствие более высокого пробоя диэлектрика, в технологии SiC можно получать униполярные полевые МОП-транзисторы и диоды Шоттки (SBD) даже при высоком напряжении. Преимущество униполярных устройств заключается в отсутствии накопления носителей заряда. Следовательно, эти униполярные устройства переключаются быстрее и имеют меньшие потери на переключение по сравнению с их биполярными аналогами.

В этой статье проводится сравнение характеристик переключения биполярных Si-устройств и униполярных SiC-устройств, рассчитанных на напряжение 3,3 кВ и аналогичными номинальными токами. Измерения демонстрируют природу этих двух различных полупроводников в отношении их характеристик переключения.

 

Коммутационная производительность Full SiC

Недавно Mitsubishi Electric выпустила корпус LV100. Этот корпус рассматривается как дополнительный стандартный пакет для высоковольтных силовых модулей. Преимуществами являются простое параллельное соединение и высокая плотность мощности (на единицу площади радиатора). Кроме того, модуль содержит полумостовую фазовую ветвь и разработан для низкоиндуктивного подключения звена постоянного тока. Это обязательно для использования полного потенциала SiC с быстрым переключением. В аналогичном корпусе LV100 Mitsubishi Electric предлагает полупроводники из Si и SiC. Также доступен гибридный модуль SiC, в котором используется биполярный Si IGBT и униполярный SiC-диод. Эти три модуля сравниваются дальше.

На рисунке 2 (a-c) показаны формы сигналов включения модулей Si, Hybrid SiC и Full SiC соответственно. Пока активные устройства (IGBT или MOSFET) включаются, соответствующие обратные диоды выключаются. Если это Si-диод, генерируется ток обратного восстановления, который также протекает через активные устройства. Этот обратный ток восстановления отображается как пиковый ток при включении. Это хорошо видно на рис. 2 (а). В случае, если обратный диод изготовлен из SiC, как в модуле Hybrid SiC, этот пиковый ток почти исчезает (см. Рис. 2 (б)). Это приводит к снижению энергии включения Eon на 38%. Использование полевого SiC MOSFET и использование более крутых переходных напряжений дополнительно снижает энергию включения еще на 32%. Более того, обратные потери энергии восстановления Erec в диоде для Hybrid SiC и Full SiC равны нулю.

Аналогично, на рисунке 3 (a-c) показаны формы сигналов при выключении. Формы сигнала при выключении для Si и Hybrid-SiC одинаковы, и, следовательно, энергия выключения обоих модулей одинакова. Фактически в обоих случаях один и тот же IGBT выключен, и поведение выключения не зависит от типа диода. Использование Full-SiC, однако, снижает потери при выключении из-за отсутствия тока в хвосте и повышенной скорости переключения. Измерения показывают снижение потерь на 87%. Конечно, это снижение потерь на переключение подразумевает быстрые переходные процессы напряжения.

 

 

 

Обратное восстановление и хвостовые токи Si-устройств обычно показывают значительную температурную зависимость. Следовательно, потери на переключение возрастают с увеличением температуры чипа. В устройствах SiC этот эффект менее выражен. Как показано на рис. 4, поведение переключения при Tj = 25 ° C и Tj = 150 ° C очень похоже. Изменение потерь переключения при номинальном токе от 25 до 150 ° C составляет всего около 10%.

 

Снижение потерь на переключение

После объяснения физического принципа уменьшения потерь на переключение, далее более подробно обсуждается влияние на рабочий диапазон. На рисунке 5 показана общая энергия переключения, то есть сумма потерь энергии на включение, выключение и восстановление для различных токов переключения. Как обсуждалось ранее, потери энергии на переключение значительно уменьшаются при использовании SiC. Чтобы выразиться в цифрах, по сравнению с Si потери энергии переключения уменьшаются для гибридного SiC и Full SiC на 50% и 80% соответственно при токе 600 А.

 

Благодаря более низким потерям энергии переключения технология SiC обеспечивает более высокие частоты переключения. На рисунке 6 показано соотношение частоты переключения, полученной на SiC-модуле по сравнению с Si-модулем с учетом тех же потерь переключения. Следовательно, Hybrid SiC достигает примерно в два раза большей частоты переключения (при номинальном токе) по сравнению с Si. Кроме того, Full SiC достигает примерно в 5 раз более высоких частот переключения при одном и том же токе переключения. Таким образом, при использовании ШИМ и учитывая потери проводимости, можно ожидать в 5 - 9 раз более высокую частоту переключения.

 

Более высокая частота переключения дает преимущества во многих приложениях. Часто выходные фильтры, трансформаторы или машины могут быть более компактными, что повышает эффективность системы и снижает затраты.

Наконец, стоит отметить, что эти модули предназначены для критически важных приложений, которые предъявляют самые высокие требования к качеству и надежности (например, железнодорожные тяговые приводы). Разработка модуля полного SiC 3,3 кВ завершена. Достигается такая же или более высокая надежность по сравнению с классическими тяговыми модулями Si. Более того, Mitsubishi Electric обладает многолетним опытом работы с SiC-технологиями 3,3 кВ в железнодорожных системах. Таким образом, SiC 3,3 кВ стала основной и надежной технологией.

 

Технологии будущего

Хорошо известным эффектом в SiC-полупроводниках является так называемая «биполярная деградация» или «дефекта расширения компоновки». Эти термины описывают дислокацию решетки SiC, вызванную рекомбинацией электронно-дырочных пар в результате биполярных токов. В конечном счете, этот эффект приводит к необратимому ухудшению, вызывающему увеличение прямого падения напряжения. Обратный диод SBD, подключенный параллельно к МОП-транзистору, предотвращает биполярный ток и биполярную деградацию SiC MOFET соответственно.

В современных SiC-модулях 3,3 кВ успешно используются отдельные кристаллы SBD, подключенные внутри модуля рядом с кристаллом MOSFET. Тем не менее, учитывая еще более высокие уровни напряжения (например, в полевых SiC-МОП-транзисторах 6,5 кВ), такой подход больше не является экономичным. Поэтому Mitsubishi Electric разработала технологию для встраивания диода SBD в кристалл MOSFET вместо использования отдельных кристаллов. Рисунок 7 иллюстрирует традиционную и улучшенную структуру кристалла MOSFET.

 

Эта технология способна уменьшить необходимую площадь кристалла SiC, чтобы сделать технологию SiC более эффективной и более экономичной при номинальных напряжениях выше 3,3 кВ.

 

Заключение

В этой статье были продемонстрированы характеристики переключения современных силовых Full SiC-модуля и гибридного SiC-модуля на напряжение 3,3 кВ. Было объяснено, что из-за природы униполярных SiC-устройств потери на переключение снижаются на 50 - 80%. В результате Full SiC может работать с 5-кратной частотой переключения.

В современной технологии SiC 3,3 кВ кристаллы диодов SBD внутри силового модуля эффективно защищают MOSFET от биполярной деградации. В настоящее время Mitsubishi Electric разработала встроенный в MOSFET диод SBD, который является ключевой технологией для эффективной и экономичной технологии SiC с высоким напряжением.