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

Tranzystory CoolSiC – rewolucja?

Nowa technologia CoolSiC wprowadza─ç ma nowe mo┼╝liwo┼Ťci przy tworzeniu wysoce wydajnych rozwi─ůza┼ä energoelektronicznych. Zapewnia─ç ma wszystkie ┼Ťwietne zalety jakie niesie SiC, jednocze┼Ťnie niweluj─ůc wady, takie jak k┼éopotliwe uk┼éady steruj─ůce.
Prze┼é─ůczniki oparte na w─Ögliku krzemu (SiC) staj─ů si─Ö coraz popularniejsze i powszechniejsze w wielu aplikacjach zwi─ůzanych z konwersj─ů energii. Najnowsze technologie wykorzystuj─ůce SiC pozwalaj─ů na znaczn─ů popraw─Ö efektywno┼Ťci, szybko┼Ťci w por├│wnaniu do rozwi─ůza┼ä tradycyjnych, jednocze┼Ťnie wp┼éywaj─ůc na redukcj─Ö generowanego ciep┼éa oraz zmniejszenie wymiar├│w samych aplikacji. Wszystko to wp┼éywa tak┼╝e na zmniejszenie koszt├│w.

Przyjrzymy si─Ö wi─Öc technologii SiC oraz jej odmianie tego producenta: CoolSiC MOSFET. Zapewnia─ç ma ona ponadprzeci─Ötn─ů wydajno┼Ť─ç i g─Östo┼Ť─ç mocy.

Aplikacje z CoolSiC MOSFET teraz i ÔÇśjutroÔÇÖ

Niekt├│re aplikacje skazane s─ů na szybk─ů adaptacj─Ö nowych rozwi─ůza┼ä i technologii. Oczywi┼Ťcie jakie technologie zostan─ů wybrane zale┼╝y od korzy┼Ťci jakie si─Ö z nimi wi─ů┼╝─ů, w tym te┼╝ od atrakcyjno┼Ťci koszt├│w do zysk├│w wydajno┼Ťciowych, jakie s─ů w stanie zapewni─ç dla danej aplikacji.

Diody Schottkiego oparte na SiC s─ů ju┼╝ teraz powszechnie i ch─Ötnie wykorzystywane w zasilaczach klasy high-end. Powoli zauwa┼╝alna jest te┼╝ migracja w kierunku SiC w takich zastosowaniach jak inwertery solarne, UPS, ┼éadowarki, itd. Inne rozwi─ůzania, takie jak sterowniki silnik├│w, systemy trakcyjne i rozwi─ůzania motoryzacyjne co prawda jeszcze g┼é├│wnie opieraj─ů si─Ö na tradycyjnych, sprawdzonych technologiach, lecz to tylko kwestia czasu, gdy tak┼╝e w tych aplikacjach zaczn─ů by─ç powszechnie stosowane technologie SiC.



Wynika to z korzy┼Ťci, jakie oferowa─ç ma nowa technologia i oparte na nich tranzystory. W przypadku zastosowa┼ä solarnych wa┼╝n─ů cech─ů jest g─Östo┼Ť─ç energetyczna przy jednoczesnej redukcji strat przewodzenia. Wi─ů┼╝e si─Ö to z mo┼╝liwo┼Ťci─ů redukcji radiator├│w, a tym samym kosztownych system├│w ch┼éodzenia. Komponenty te mog─ů te┼╝ pracowa─ç z wy┼╝szymi cz─Östotliwo┼Ťciami, co sprawia ┼╝e mo┼╝na stosowa─ç mniejsze gabarytowo komponenty magnetyczne.

Rozwi─ůzania na CoolSiC MOSFET

Tranzystory CoolSiC MOSFET cechowa─ç si─Ö maj─ů bardzo ma┼é─ů rezystancj─ů Rds(ON), kt├│ra wynosi─ç ma tylko 45 m╬ę. To jedna z g┼é├│wnych zalet, jakie niesie ze sob─ů SiC w energoelektronice. Lecz r├│wnie wa┼╝na jest pr─Ödko┼Ť─ç prze┼é─ůczania si─Ö komponent├│w oraz projekt samego komponentu.

W tym celu firma Infineon stworzy┼éa komponent w 4-pinowych obudowach TO-247 (IMZ120R045M1), zamiast w 3-pinowych TO-247 (IMW120R045M1). Dodatkowym wyprowadzeniem jest specjalny pin dla bramki emitera. Dzi─Öki temu, napi─Öcie kontrolne bramki nie jest zale┼╝ne od pr─ůdu przep┼éywaj─ůcego przez tranzystor. Rozwi─ůzanie to ma owocowa─ç redukcj─ů strat przy prze┼é─ůczaniu (za┼é─ůczaniu) nawet o 40%. Ma to by─ç szczeg├│lnie przydatne tam, gdzie istotna jest du┼╝a cz─Östotliwo┼Ť─ç prze┼é─ůczania, jak np. inwertery solarne, ┼éadowarki, sprz─Öt UPS, itd.

Pojawi┼éa si─Ö te┼╝ wersja tych komponent├│w w formie modu┼é├│w Easy1B, w kt├│rych zawarto tak┼╝e dedykowane szybkie diody Schottkiego r├│wnie┼╝ wykonane w technologii CoolSiC, a tak┼╝e krzemowe diody o niskim VF, dla obs┼éugi odwrotnej polaryzacji. W por├│wnaniu do poprzednich rozwi─ůza┼ä, wydajno┼Ť─ç (w kwestii indukcyjno┼Ťci paso┼╝ytniczej) poprawiono nawet 5-krotnie, jak zapewnia producent. Taki modu┼é mo┼╝e pracowa─ç w systemach o mocy do 20 kW.

Wydajno┼Ť─ç, g─Östo┼Ť─ç mocy oraz koszty ÔÇô to kluczowe zagadnienia, kt├│re determinuj─ů to, czy nowe materia┼éy i technologie b─Öd─ů zaadoptowane i wykorzystane w diodach i tranzystorach nowych, kolejnych generacji.

Obecnie wykorzystuje si─Ö jednak technologie SiC g┼é├│wnie w formie diod, w po┼é─ůczeniu z klasycznymi tranzystorami, np. IGBT. Cho─ç zysk jest widoczny (wynie┼Ť─ç mo┼╝e nawet 30% w redukcji strat), to jeszcze wi─Öcej osi─ůgniemy, gdy ca┼éy prze┼é─ůcznik b─Ödzie wykonany w tej nowej technologii. W takim wypadku, redukcja strat mo┼╝e si─Ögn─ů─ç nawet 80%, jak prognozuje Infineon.



Problem w adaptowaniu nowej technologii jest to, ┼╝e wymaga specjalnych sterownik├│w i korzysta z niestandardowych napi─Ö─ç. Przez to, komponenty takie nie s─ů tak ch─Ötnie wykorzystywane. CoolSiC pomaga pokona─ç t─ů barier─Ö. Tranzystory te korzysta─ç maj─ů bowiem ze standardowych napi─Ö─ç, jakie wykorzystuje si─Ö do sterowania tranzystorami krzemowymi IGBT (-5/15 V lub -0/15 V). To pozwala na wykorzystanie standardowych sterownik├│w (np. z serii EiceDriver), a tym samym efektywniejsz─ů adaptacj─Ö nowej technologii.

Prze┼é─ůczanie

Testowanie tego, jak CoolSiC MOSFET zachowuje si─Ö przy prze┼é─ůczaniu odby┼éo si─Ö z wykorzystaniem komponentu w obudowie TO-247 o czterech wyprowadzeniach, kt├│ry wymaga┼é napi─Ö─ç steruj─ůcych bramk─ů: -5/15 V. Sterownikiem by┼é EiceDRIVER, dla tranzystor├│w IGBT. Uk┼éad wykaza┼é bardzo ┼éadny, czysty przebieg w trakcie prze┼é─ůczania z bardzo ma┼éymi oscylacjami, niemal┼╝e ich brakiem.

Na potrzeby dalszych test├│w zbudowano uk┼éad konwertera DC/DC z wykorzystaniem modu┼éu p├│┼émostka, a tak┼╝e wspomnianych komponent├│w: CoolSiC MOSFET oraz sterownika EiceDRIVER (1EDI60H12AH). Stworzony konwerter pracowa─ç mia┼é w dwukierunkowej topologii podwy┼╝szaj─ůco-obni┼╝aj─ůcej, a rezystancja takiego uk┼éadu wynosi─ç mia┼éa 23 m╬ę (FF23MR12W1M1_B11).
Przebiegi i efekt eksperymentu wida─ç na poni┼╝szym rysunku.



Wida─ç tu niewielkie oscylacje przy pracy z pr─ůdem o nat─Ö┼╝eniu 5 A. dv/dt przy wy┼é─ůczaniu wynios┼éo tylko 5 kV/us. W przypadku pracy z pr─ůdem 30 A (i napi─Öciem 600 V) oscylacje si─Ö zwi─Ökszy┼éy nieznacznie, podobnie jak dv/dt, kt├│re wynie┼Ť─ç mia┼éo 34 kV/us. Silna zale┼╝no┼Ť─ç tego, jak zachowuje si─Ö uk┼éad przy prze┼é─ůczaniu od nat─Ö┼╝enia pr─ůdu jest wynikiem stosunkowo du┼╝ej pojemno┼Ťci wyj┼Ťciowej tranzystor├│w SiC MOSFET. Poci─ůga─ç to ma za sob─ů tak┼╝e wzrost napi─Öcia wy┼é─ůczaj─ůcego, jak czytamy w notatce producenta



Sterowalno┼Ť─ç

Zalet─ů CoolSiC MOSFET ma by─ç mo┼╝liwo┼Ť─ç sterowania warto┼Ťciami dv/dt i di/dt poprzez regulacj─Ö zewn─Ötrznymi rezystorami bramkowymi. Jak kszta┼étuje si─Ö ta regulacja, w przypadku FF45mR12W1M1_B11, pokazano na poni┼╝szym rysunku.



Wida─ç tu, ┼╝e zwi─Ökszenie rezystancji bramek pozwala na redukcj─Ö dv/dt oraz di/dt. Jednocze┼Ťnie udaje si─Ö w ten spos├│b zredukowa─ç szum elektromagnetyczny. Ta prosta kontrola nad tymi parametrami sprawia, ┼╝e wydajno┼Ť─ç oraz parametry pracy element├│w prze┼é─ůczaj─ůcych mo┼╝e by─ç w do┼Ť─ç prosty spos├│b dostosowana do wymaga┼ä konkretnych aplikacji, np. dla uk┼éad├│w sterowania silnikami, gdzie wymaga si─Ö, by dv/dt nie przekracza┼éo 5 kV/us. Dzi─Öki zastosowaniu odpowiednich rezystor├│w do┼Ť─ç ┼éatwo spe┼énimy te wymagania z wykorzystaniem CoolSiC MOSFET, jak zapewnia producent.

Nale┼╝y te┼╝ zwr├│ci─ç uwag─Ö na sam projekt p┼éytki PCB, zw┼éaszcza przy prowadzeniu ┼Ťcie┼╝ek pomi─Ödzy sterownikiem, a bramkami tranzystor├│w lub modu┼é├│w. Wa┼╝ne jest by tak prowadzi─ç ┼Ťcie┼╝ki, by zminimalizowa─ç indukcyjno┼Ť─ç do minimum. Mo┼╝na np. zastosowa─ç grubsze, proste ┼Ťcie┼╝ki. Dodatkowo, takie podej┼Ťcie pozwoli te┼╝ na znaczne zredukowanie szum├│w EM.



Aby uzyska─ç jak najwy┼╝sz─ů wydajno┼Ť─ç z CoolSiC MOSFET, producent zaleca by zwraca─ç szczeg├│ln─ů uwag─Ö na spos├│b prowadzenia ┼Ťcie┼╝ek, minimalizuj─ůc wyst─ůpienie p─Ötli indukcyjnych.

Podsumowanie

Tranzystory te mog─ů wprowadzi─ç popraw─Ö efektywno┼Ťci w prosty spos├│b, z wykorzystaniem standardowych komponent├│w i topologii.

Dzi─Öki temu, ┼╝e mo┼╝na nimi sterowa─ç z wykorzystaniem standardowych napi─Ö─ç IGBT, komponenty te b─Ödzie mo┼╝na ┼éatwo zaadoptowa─ç do nowych aplikacji. ┼üagodne przebiegi sprzyjaj─ů mniejszym wysi┼ékom, jakie trzeba w┼éo┼╝y─ç, by zapewni─ç ma┼ée straty i wysok─ů wydajno┼Ť─ç opracowywanym projektom.

R├│wnie ┼éatwo, zachowuj─ůc wszystkie powy┼╝sze zalety, zadbamy o odpowiednie warto┼Ťci dv/dt i dostosujemy si─Ö do wymaga┼ä EMI. Wszystko to sprawi, ┼╝e obni┼╝─ů si─Ö tak┼╝e koszty opracowywania nowych rozwi─ůza┼ä dla wysoko wydajnych konwerter├│w i innych system├│w zasilania, opartych na komponentach CoolSiC. Redukcja strat w por├│wnaniu do klasycznych, krzemowych odpowiednik├│w wynosi─ç ma nawet 80%, co z pewno┼Ťci─ů zostanie w niedalekiej przysz┼éo┼Ťci docenione. Tym samym ju┼╝ wkr├│tce, technologie takie jak CoolSiC stan─ů si─Ö powszechne i szybko stan─ů si─Ö standardem, przy opracowywaniu nowych aplikacji energetycznych, wypieraj─ůc klasyczne rozwi─ůzania takie jak IGBT, przy jednoczesnej mo┼╝liwo┼Ťci zachowania ich og├│lnej koncepcji i sekcji steruj─ůcej.

Artyku┼é uzyskany dzi─Öki uprzejmo┼Ťci ┬ę Infineon Technologies
reklama
reklama
Załaduj więcej newsów
January 17 2019 14:20 V11.11.0-2