Tervezési szabadság a SiC-technológiával

A szilícium-karbid (SiC) technológia vitathatatlan teljesítménye és lehetőségei ellenére sok tervező kezdetben óvatos a SiC modulok alkalmazásával az új projektek elindításánál. Senki sem szeret felesleges kockázatokat vállalni, ám a tervezési folyamat rávilágíthat a SiC-technológia előnyeire.

Minden elektronikai tervezési projektnél az első feladat a rendelkezésre álló megoldások követelményeinek és lehetőségeinek teljes megértése. Az elemzés során tehát a tervezők rájöhetnek, hogy a SiC-technológia által megengedett bizonyos tervezési szabadságok révén csökkenthetők a vélt kockázatok. A szilícium-karbid technológia széles körű elterjedésével a tervezők felfedezhetnek néhány izgalmas tervezési szabadságot és könnyedséget, például egyszerűsített áramköri topológiákat, kisebb rendszereket és megnövekedett energiasűrűséget.

A SiC MOSFET energiaellátó rendszerek jelentős rendszerköltség-megtakarítást, jobb teljesítménysűrűséget és hatásfokot eredményeznek. Alacsonyabb hőmérsékleten működhetnek a termékek, mivel a Si-IGBT vagy a Si-MOSFET megoldásokhoz képest sokkal kisebb az energiaveszteség. Ezek a tagadhatatlan előnyök inspirálják a tervezőket a SiC alkatrészek előnyeinek kihasználására.
A versenyképesség megőrzésére és a hosszú távú rendszerköltségek csökkentésére törekvő tervezők több okból fordulnak SiC-alapú technológiákhoz:

• A teljes költségek, azaz a teljes élettartamra vetített költségek összegének (TCO) a csökkenése:
  A SiC-alapú konstrukciók, bár előzetesen nagyobb beruházást igényelnek, lenyűgöző, hosszú távú rendszerköltség-csökkenést eredményeznek az energiahatékonyság, a kisebb rendszerméret és a megbízhatóság révén.
• A tervezési kihívások leküzdése:
  Az SiC eszközök tulajdonságai lehetővé teszik a tervezők számára, hogy kisebb méretű eszközöket fejlesszenek ki, amelyek alacsonyabb hőmérsékleten működnek, gyorsabban kapcsolnak, és a nagyobb üzemi feszültségeknek képesek ellenállni.
• A megbízhatóság és a teljesítmény növelése:
  Kisebb, alacsonyabb hőmérsékletű eszközökkel a tervezők szabadon választhatnak innovatívabb tervezési lehetőségeket, amelyekkel könnyebben kielégítik a piaci igényeket.

Néhány kulcsfontosságú tervezési szabadság

Egyszerű és hatékonyabb topológiák

Amint egyre nagyobb az igény a hatékonyabb, nagyobb energiasűrűségű DC / DC konverterekre és inverterekre, a SiC egyszerűbb topológiákat tesz lehetővé, és segíti a tervezőket a hatékonyabb munkavégzésben.
A SiC lehetővé teszi a háromszintű topológiák cseréjét kétszintű topológiákkal, megkönnyítve ezáltal a paraméterek szabályozását, kevesebb helyet foglalva el és kevesebb hőt bocsátva ki.
A teljesítménytényező-javító (Power Factor Correction – PFC) fokozatban, „hard” kapcsolási topológiákban az egyszerű boost (SiC diódákkal) és totem-pole (ellenütemű) konfigurációk a SiC alkatrészek alacsony feléledési veszteségét eredményezik. Hasonló hatékonyság eléréséhez a Si-MOSFET-ekkel összetettebb topológiák és digitális vezérlés szükségesek.
Lehetséges a SiC és a Si-eszközök együttes használata többszintű topológiákban az ár / teljesítmény optimalizálása érdekében. Egy módosított háromszintű aktív semleges ponton rögzített / megfogott (ANPC) topológiára van szükség, amelyet a szolár- vagy energiatároló inverterekben használnak, ahogy az ábrán látható.

Kisebb méretű rendszerek

A tervezőkkel szembeni általános elvárás, hogy az elektronika egyre kisebb helyen egyre több szolgáltatást nyújtson. A jó hír az, hogy a SiC megoldásai kevesebb helyigényű, kisebb súlyú és hatékonyabb invertereket és tároló rendszereket támogatnak. Jó például szolgálnak a szervohajtások. Az objektum pozicionálásához használt szervomotorok gyors válaszidőt igényelnek a műveletek felgyorsítása érdekében. Így a nagyobb impulzusszélesség-modulációs (PWM) frekvenciák javítják a szervorendszerek dinamikáját. Ehhez vagy a gyors IGBT-t, vagy a SiC eszközöket kell használni kapcsolóként a szervohajtás-inverter szakaszában. A SiC használatával a tervezők kisebb meghajtókat tervezhetnek, amelyek közül sok nem igényel aktív hűtést. Ez a szabadság azt jelenti, hogy a tervezők a hajtást közvetlenül a motorra szerelhetik. Ilyen esetekben a tervezők az egyenáramú buszt is közvetlenül a motorhoz kapcsolhatják, sokkal kisebb elektromágneses zajt elérve.

Megnövekedett energiatárolási képesség

Az energiafogyasztók is válhatnak aktív áramtermelőkké. A SiC kétirányú áramlási képességei segítik ezt a változást. Az energiatárolás évtizedek óta szerves részét képezi az áramtermelésnek, -továbbításnak, -elosztásnak és -fogyasztásnak. Ma a megújuló energiatermelés növekedése megbízhatóbb áramellátást igényel, ahol és amikor arra szükség van. Az energiatároló rendszerek technológiai megközelítések széles skáláját kínálják az energiaellátás-kereslet kezelésére, hogy rugalmasabb energia-infrastruktúrát hozzanak létre, és költségmegtakarítást eredményezzenek a közművek és a fogyasztók számára.
Az elektromos járművek (EV) és a napelemes töltés jó példákat mutatnak a SiC által lehetővé tett kétirányú áramlás előnyeire. Például az elektromos és napenergia-rendszerek felhasználói, teljes feltöltött állapot elérése után, visszaadhatnak némi áramot a közműnek. Egyes SiC topológiák mindkét irányban jobb áramlást tesznek lehetővé, tökéletesítve ezzel az energiatároló rendszereket.

A Si és a SiC teljesítménysűrűség összehasonlítása SMA szolárinverterekben

Legfőbb előny:
teljesítménysűrűség-növekedés Si → Si / SiC

• Si inverter 75 kW,
• Si / SiC inverter 150 kW,
• a teljesítménysűrűség jelentős javulása,
• a hűtés és a súly költségmegtakarítása.

Következtetés – a SiC előnyei a Si-vel szemben

• 50%-kal alacsonyabb energiaveszteség,
• 10-szer kisebb rendszerméret,
• 100-szor nagyobb frekvenciájú működés,
• gyorsabb be- és kikapcsolási teljesítmény,
• magasabb feszültségű működés.

Az EBV Elektronik mint vezető félvezető-forgalmazó Európában széles gyártói portfóliójából a legújabb alkatrészek és félvezető-megoldások teljes és folyamatos ellátását garantálja. Vegye fel a kapcsolatot az EBV technológiai és piaci szakértőivel, hogy megbizonyosodhasson arról, hogy az alkalmazásaihoz a legoptimálisabb megoldást választja!

Több mint disztribúció – EBV Elektronik!

Gnyálin István
EBV Elektronik Kft.
1117 Budapest, Budafoki út 91–93.
Tel.: +36 30 470 34 96
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.
www.ebv.com