reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
© Pixabay Technologie | 06 kwietnia 2017

Tranzystory CoolSiC – rewolucja?

Nowa technologia CoolSiC wprowadzać ma nowe możliwości przy tworzeniu wysoce wydajnych rozwiązań energoelektronicznych. Zapewniać ma wszystkie świetne zalety jakie niesie SiC, jednocześnie niwelując wady, takie jak kłopotliwe układy sterujące.
Przełączniki oparte na węgliku krzemu (SiC) stają się coraz popularniejsze i powszechniejsze w wielu aplikacjach związanych z konwersją energii. Najnowsze technologie wykorzystujące SiC pozwalają na znaczną poprawę efektywności, szybkości w porównaniu do rozwiązań tradycyjnych, jednocześnie wpływając na redukcję generowanego ciepła oraz zmniejszenie wymiarów samych aplikacji. Wszystko to wpływa także na zmniejszenie kosztów.

Przyjrzymy się więc technologii SiC oraz jej odmianie tego producenta: CoolSiC MOSFET. Zapewniać ma ona ponadprzeciętną wydajność i gęstość mocy.

Aplikacje z CoolSiC MOSFET teraz i ‘jutro’

Niektóre aplikacje skazane są na szybką adaptację nowych rozwiązań i technologii. Oczywiście jakie technologie zostaną wybrane zależy od korzyści jakie się z nimi wiążą, w tym też od atrakcyjności kosztów do zysków wydajnościowych, jakie są w stanie zapewnić dla danej aplikacji.

Diody Schottkiego oparte na SiC są już teraz powszechnie i chętnie wykorzystywane w zasilaczach klasy high-end. Powoli zauważalna jest też migracja w kierunku SiC w takich zastosowaniach jak inwertery solarne, UPS, ładowarki, itd. Inne rozwiązania, takie jak sterowniki silników, systemy trakcyjne i rozwiązania motoryzacyjne co prawda jeszcze głównie opierają się na tradycyjnych, sprawdzonych technologiach, lecz to tylko kwestia czasu, gdy także w tych aplikacjach zaczną być powszechnie stosowane technologie SiC.



Wynika to z korzyści, jakie oferować ma nowa technologia i oparte na nich tranzystory. W przypadku zastosowań solarnych ważną cechą jest gęstość energetyczna przy jednoczesnej redukcji strat przewodzenia. Wiąże się to z możliwością redukcji radiatorów, a tym samym kosztownych systemów chłodzenia. Komponenty te mogą też pracować z wyższymi częstotliwościami, co sprawia że można stosować mniejsze gabarytowo komponenty magnetyczne.

Rozwiązania na CoolSiC MOSFET

Tranzystory CoolSiC MOSFET cechować się mają bardzo małą rezystancją Rds(ON), która wynosić ma tylko 45 mΩ. To jedna z głównych zalet, jakie niesie ze sobą SiC w energoelektronice. Lecz równie ważna jest prędkość przełączania się komponentów oraz projekt samego komponentu.

W tym celu firma Infineon stworzyła komponent w 4-pinowych obudowach TO-247 (IMZ120R045M1), zamiast w 3-pinowych TO-247 (IMW120R045M1). Dodatkowym wyprowadzeniem jest specjalny pin dla bramki emitera. Dzięki temu, napięcie kontrolne bramki nie jest zależne od prądu przepływającego przez tranzystor. Rozwiązanie to ma owocować redukcją strat przy przełączaniu (załączaniu) nawet o 40%. Ma to być szczególnie przydatne tam, gdzie istotna jest duża częstotliwość przełączania, jak np. inwertery solarne, ładowarki, sprzęt UPS, itd.

Pojawiła się też wersja tych komponentów w formie modułów Easy1B, w których zawarto także dedykowane szybkie diody Schottkiego również wykonane w technologii CoolSiC, a także krzemowe diody o niskim VF, dla obsługi odwrotnej polaryzacji. W porównaniu do poprzednich rozwiązań, wydajność (w kwestii indukcyjności pasożytniczej) poprawiono nawet 5-krotnie, jak zapewnia producent. Taki moduł może pracować w systemach o mocy do 20 kW.

Wydajność, gęstość mocy oraz koszty – to kluczowe zagadnienia, które determinują to, czy nowe materiały i technologie będą zaadoptowane i wykorzystane w diodach i tranzystorach nowych, kolejnych generacji.

Obecnie wykorzystuje się jednak technologie SiC głównie w formie diod, w połączeniu z klasycznymi tranzystorami, np. IGBT. Choć zysk jest widoczny (wynieść może nawet 30% w redukcji strat), to jeszcze więcej osiągniemy, gdy cały przełącznik będzie wykonany w tej nowej technologii. W takim wypadku, redukcja strat może sięgnąć nawet 80%, jak prognozuje Infineon.



Problem w adaptowaniu nowej technologii jest to, że wymaga specjalnych sterowników i korzysta z niestandardowych napięć. Przez to, komponenty takie nie są tak chętnie wykorzystywane. CoolSiC pomaga pokonać tą barierę. Tranzystory te korzystać mają bowiem ze standardowych napięć, jakie wykorzystuje się do sterowania tranzystorami krzemowymi IGBT (-5/15 V lub -0/15 V). To pozwala na wykorzystanie standardowych sterowników (np. z serii EiceDriver), a tym samym efektywniejszą adaptację nowej technologii.

Przełączanie

Testowanie tego, jak CoolSiC MOSFET zachowuje się przy przełączaniu odbyło się z wykorzystaniem komponentu w obudowie TO-247 o czterech wyprowadzeniach, który wymagał napięć sterujących bramką: -5/15 V. Sterownikiem był EiceDRIVER, dla tranzystorów IGBT. Układ wykazał bardzo ładny, czysty przebieg w trakcie przełączania z bardzo małymi oscylacjami, niemalże ich brakiem.

Na potrzeby dalszych testów zbudowano układ konwertera DC/DC z wykorzystaniem modułu półmostka, a także wspomnianych komponentów: CoolSiC MOSFET oraz sterownika EiceDRIVER (1EDI60H12AH). Stworzony konwerter pracować miał w dwukierunkowej topologii podwyższająco-obniżającej, a rezystancja takiego układu wynosić miała 23 mΩ (FF23MR12W1M1_B11).
Przebiegi i efekt eksperymentu widać na poniższym rysunku.



Widać tu niewielkie oscylacje przy pracy z prądem o natężeniu 5 A. dv/dt przy wyłączaniu wyniosło tylko 5 kV/us. W przypadku pracy z prądem 30 A (i napięciem 600 V) oscylacje się zwiększyły nieznacznie, podobnie jak dv/dt, które wynieść miało 34 kV/us. Silna zależność tego, jak zachowuje się układ przy przełączaniu od natężenia prądu jest wynikiem stosunkowo dużej pojemności wyjściowej tranzystorów SiC MOSFET. Pociągać to ma za sobą także wzrost napięcia wyłączającego, jak czytamy w notatce producenta



Sterowalność

Zaletą CoolSiC MOSFET ma być możliwość sterowania wartościami dv/dt i di/dt poprzez regulację zewnętrznymi rezystorami bramkowymi. Jak kształtuje się ta regulacja, w przypadku FF45mR12W1M1_B11, pokazano na poniższym rysunku.



Widać tu, że zwiększenie rezystancji bramek pozwala na redukcję dv/dt oraz di/dt. Jednocześnie udaje się w ten sposób zredukować szum elektromagnetyczny. Ta prosta kontrola nad tymi parametrami sprawia, że wydajność oraz parametry pracy elementów przełączających może być w dość prosty sposób dostosowana do wymagań konkretnych aplikacji, np. dla układów sterowania silnikami, gdzie wymaga się, by dv/dt nie przekraczało 5 kV/us. Dzięki zastosowaniu odpowiednich rezystorów dość łatwo spełnimy te wymagania z wykorzystaniem CoolSiC MOSFET, jak zapewnia producent.

Należy też zwrócić uwagę na sam projekt płytki PCB, zwłaszcza przy prowadzeniu ścieżek pomiędzy sterownikiem, a bramkami tranzystorów lub modułów. Ważne jest by tak prowadzić ścieżki, by zminimalizować indukcyjność do minimum. Można np. zastosować grubsze, proste ścieżki. Dodatkowo, takie podejście pozwoli też na znaczne zredukowanie szumów EM.



Aby uzyskać jak najwyższą wydajność z CoolSiC MOSFET, producent zaleca by zwracać szczególną uwagę na sposób prowadzenia ścieżek, minimalizując wystąpienie pętli indukcyjnych.

Podsumowanie

Tranzystory te mogą wprowadzić poprawę efektywności w prosty sposób, z wykorzystaniem standardowych komponentów i topologii.

Dzięki temu, że można nimi sterować z wykorzystaniem standardowych napięć IGBT, komponenty te będzie można łatwo zaadoptować do nowych aplikacji. Łagodne przebiegi sprzyjają mniejszym wysiłkom, jakie trzeba włożyć, by zapewnić małe straty i wysoką wydajność opracowywanym projektom.

Równie łatwo, zachowując wszystkie powyższe zalety, zadbamy o odpowiednie wartości dv/dt i dostosujemy się do wymagań EMI. Wszystko to sprawi, że obniżą się także koszty opracowywania nowych rozwiązań dla wysoko wydajnych konwerterów i innych systemów zasilania, opartych na komponentach CoolSiC. Redukcja strat w porównaniu do klasycznych, krzemowych odpowiedników wynosić ma nawet 80%, co z pewnością zostanie w niedalekiej przyszłości docenione. Tym samym już wkrótce, technologie takie jak CoolSiC staną się powszechne i szybko staną się standardem, przy opracowywaniu nowych aplikacji energetycznych, wypierając klasyczne rozwiązania takie jak IGBT, przy jednoczesnej możliwości zachowania ich ogólnej koncepcji i sekcji sterującej.

Artykuł uzyskany dzięki uprzejmości © Infineon Technologies

Komentarze

Zauważ proszę, że komentarze krytyczne są jak najbardziej pożądane, zachęcamy do ich zamieszczania i dalszej dyskusji. Jednak komentarze obraźliwe, rasistowskie czy homofobiczne nie są przez nas akceptowane. Tego typu komentarze będą przez nas usuwane.
reklama
reklama
Załaduj więcej newsów
May 26 2017 09:38 V8.3.0-2