A wattoktól a megawattokig: 1700 V SiC MOSFET-ekkel

A félvezetőtechnológia a szilícium-alapanyag felhasználásával tört be a hétköznapjaink szinte minden területére. Van azonban egy szakma, ahol a szilícium nem igazán „érzi jól magát”, amit az tett szembeötlővé, hogy a szilíciumkarbid (SiC) technológia ipari tömegtermelésre alkalmassá érett. A SiC úgy képes növelni a teljesítményelektronika megbízhatóságát és a hatásfokát, hogy közben rövidebb az anyaglista és kevesebbet mutat az árcédula is a kisebb és könnyebb végtermékeken.

Bevezetés

A teljesítményelektronika világában sohasem az a jobb, ami nagyobb. Ez különösképpen igaz a nagyfeszültségű teljesítményelektronikai rendszerekre, ahol a tervezők hangosan követelik a jobb félvezetőtechnológiákat annak érdekében, hogy megfelelhessenek a kisebb, könnyebb, megbízhatóbb, nagyobb hatásfokú és kevésbé költséges energiaátalakítókra irányuló felhasználói igényeknek. A szilíciumalapú MOSFET-ek és IGBT-k (szigetelt vezérlőelektródás bipoláris kapcsolótranzisztorok) használatakor kompromisszumokat kell kötni, például úgy, hogy választaniuk kell, hogy a legmegbízhatóbb, vagy a legjobb hatásfokú tervezési sémát kívánják-e megvalósítani – a két követelményt egyszerre nem lehet kielégíteni. A nagyfeszültségű szilíciumkarbid (SiC) MOSFET-ek használata adja a kulcsot ahhoz, hogy a tervezők megszabadulhassanak a szilícium-alapanyag kötöttségeitől.
Közel két évtizede, hogy a 650-től 1200 V-ig alkalmazható szilíciumkarbid-alapú teljesítménykapcsoló eszközök piacra léptek, amely végre lehetővé tette a tervezők számára, hogy ugrásszerű fejlődést érhessenek el a technológia és a végtermékek terén – egyidejűleg javítva ezzel a teljesítményt, a megbízhatóságot, a méretet, a súlyt és ráadásul még a költségeket is.

1. ábra A közeljövőben egész flottára való professzionális, elektromos hajtású jármű húzhat hasznot a nagyfeszültségű SiC MOSFET-ek előnyeiből

 
A közelmúltban megjelent 1700 V-os SiC-termékcsalád a SiC számtalan előnyét kiterjeszti az energiaellátási láncra is, segítve abban, hogy az energiaátalakítási paradigma átalakíthassa a végfelhasználói piac új szegmenseit, mint például a villamosított munkagépek és a nehéz tehergépjárművek (1. ábra), a vasúti vontatás, a segédenergia, a megújuló energia, és az ipari hajtástechnika.
Ebben a cikkben részletesen bemutatjuk, milyen előnyökkel jár az 1700 V-os SiC MOSFET-ek használata a jelenlegi szilíciumalapú megoldásokhoz képest – a wattoktól a megawattokig terjedő teljesítménytartományban.

Tíztől néhányszáz wattig

Az ilyen alacsony teljesítményszinteken egyáltalán várhatunk-e előnyt (és mifélét) egy 1700 V-os tranzisztortól? Egy ilyen előny máris van, ráadásul az alkalmazások összes területén. Minden teljesítményelektronikai rendszer normál működéséhez nélkülözhetetlenek a segédenergia-ellátó tápegységek (Auxiliary Power Supply – AuxPS): az ipari motorvezérlésekben, az elektromos járművekben, az adatközpontokban és a szünetmentes áramellátó rendszerekben, a napenergia-inverterekben, az akkumulátortöltő infrastruktúrában és még számtalan más alkalmazásban. Az AuxPS kritikus fontosságú az egész rendszer számára, mivel ez adja a tápellátást a kapumeghajtóknak, az érzékelő- és vezérlőáramköröknek és a hűtőventilátoroknak. Következésképpen az AuxPS-nek egyszerűen nem szabad elromlania, és ki kell küszö­bölni minden ehhez kapcsolódó kockázatot. Mivel az ilyen kis teljesítményű, szigetelt kivitelű, kapcsolóüzemű tápegységekre a legkülönbözőbb alkalmazásokban van szükség világszerte, azoknak képeseknek kell lenniük széles (300-tól 1000 V-ig terjedő) tartományú egyenfeszültséget bemenetként elfogadni, amelyből kisfeszültségű (5-től 48 V-ig terjedő) egyenfeszültségű kimenetet kell előállítaniuk. A meghibásodási lehetőségek csökkentésének talán a leghatékonyabb módszere az egyszerű áramköri felépítés. Ezek közt a legmegbízhatóbb a 2. ábra jobb oldalán látható, egykapcsolós flyback¹ topológia, amely egyszerű és kevés számú alkatrészből felépíthető – és ez végül is az alacsonyabb rendszerköltséget is szolgálja.

2. ábra A szilícium kapcsolótranzisztoroknál használt kétkapcsolós topológia (balra) helyettesíthető a lényegesen egyszerűbb, egykapcsolós flyback áramkörrel (jobbra), ha ez utóbbihoz nagyobb teljesítőképességű és olcsóbb 1700 V-os SiC MOSFET-et használunk

 
Az 1700 V-os SiC MOSFET-ek ideális kapcsolóeszközül kínálkoznak az AuxPS rendszerek megvalósításához. Ezekkel a magas letörési feszültség, az alacsonyabb fajlagos bekapcsolási ellenállás, valamint a magas kapcsolási sebesség előnyeinek kombinációját nyújtó kapcsolóeszközökkel az egykapcsolós flyback topológia nagyon jól megvalósítható. Ezzel szemben a szilíciumalapú kapcsolóeszközök letörési feszültsége túl alacsony, ami a kétkapcsolós architektúra alkalmazását indokolja (lásd a 2. ábra bal oldalán látható áramkört), és ezzel megkétszereződik a hibalehetőségek száma. Amennyiben viszont találunk megfelelő letörési feszültségű, de egyebekben gyenge paraméterekkel rendelkező szilíciumalapú megoldást, az kevés gyártótól szerezhető be, és – a SiC félvezető­alkatrészekéhez képest – magasabb áron.
A megnövelt megbízhatóság, az egyszerűbb vezérlési megoldás, a kevesebb szükséges alkatrész és az olcsóbb ár előnyein túl az 1700 V-os SiC MOSFET-re épülő AuxPS-ek mérete is kisebb lehet. A kapcsolótranzisztor egységnyi aktív felületére vonatkoztatott, bekapcsolt állapotú ellenállása, amit szokásos fajlagos bekapcsolási ellenállásnak² (R_on,sp) is nevezni, a SiC MOSFET-ek esetében töredéke a szilícium MOSFET-ekének. Ez azt is jelenti, hogy kisebb a szükséges csipméret, amely kisebb tokozatban³ helyezhető el. Emiatt alacsonyabbak a rezisztív veszteségek, amelyhez végeredményben kisebb hűtőborda alkalmazása is elegendő – sőt, ez utóbbi bizonyos esetekben el is hagyható. Ráadásul a SiC MOSFET-ekre alacsonyabb átkapcsolási (tranziens) veszteség is jellemző, amely utat nyit a transzformátor méretének, súlyának és költségének csökkentése felé a nagyobb alkalmazható kapcsolási frekvencia révén.

A „tizenwattoktól” a száz kilowattokig

Továbbhaladva a teljesítményskála mentén, az 1700 V-os SiC MOSFET-ek használata sok előnyt kínál a szilícium MOSFET-ekhez és IGBT-khez képest a tíztől több száz kilowattig terjedő alkalmazási tartományban is. A példák közt megtaláljuk a nap­elemfüzéreket, a központi napenergia-invertereket, a kereskedelmi célú szállítójárművek segédenergia-előállító egységeit (Auxiliary Power Unit – APU), az indukciós fűtő- és hegesztő­berendezéseket, az ipari hajtásokat, a szélturbinák energiaátalakítóit és így tovább. A feldolgozott teljesítmény növekedésével egyre jobban érvényesülnek a SiC-félvezetők gyorsabb és nagyobb hatásfokú kapcsolási tulajdonságai. A szilícium IGBT-kkel összehasonlítva a SiC MOSFET-eknek átlagosan 80%-kal kisebbek a kapcsolási veszteségei, amely lehetővé teszi a kapcsolási frekvencia növelését, és ezzel a terjedelmes és drága transzformátorok méretének, súlyának és költségeinek csökkentését. Igaz ugyan, hogy a SiC MOSFET-ek és a szilícium IGBT-k tulajdonságai nagyon hasonlók erősen terhelt üzemállapotban, számos alkalmazásra viszont az jellemző, hogy a teljes élettartamára vonatkoztatott üzemidő jelentős hányadában alacsony terhelés alatt működnek. Vegyük példának a napelemek invertereit felhős napokon vagy amikor árnyék vetődik a napelemre, a szélturbinák energiaátalakítóit, amelyek akár egész nap is terheletlen állapotban maradhatnak, vagy a tömegközlekedési járművek ajtónyitó/záró alrendszereit, amelyek az energiaellátó APU egységet az üzemidő túlnyomó részében nem terhelik. Az ilyen – nagyon nagy üzemidőhányadra kiterjedő – kis terhelésű üzemállapotban a SiC MOSFET-ek alacsonyabb rezisztív és tranziens veszteségei lehetővé teszik a veszteségi hő elvezetésének egyszerűbb megoldását⁴.
A megbízhatóság szempontját figyelembe véve a SiC MOSFET-ek lehetővé teszik, hogy a tervezők egyszerűbb áramköri topológiát és vezérlési megoldást válasszanak, amely kevesebb alkatrészből valósítható meg – és ez természetesen az anyagköltség csökkentésével is együtt jár.
Az ilyen közepes teljesítményű villamosenergia-átalakítók a magasabb kimenőteljesítmény-követelmény miatt általában magasabb (tipikusan 1000 és 1300 V közötti) bemeneti egyenfeszültséget („buszfeszültéget”) dolgoznak fel. Ha az ilyen magas bemeneti egyenfeszültség kezeléséhez szilíciumtranzisztort alkalmaz a tervező, a hatásfokra vonatkozó követelmények teljesítéséhez kénytelen a rendelkezésre álló szűkös megoldáskínálatból valamilyen komplex, háromszintű topológiát választani. Amint az a 3. ábrán látható, ilyenek a diódás, semleges ponthoz megfogott szintű (Neutral Point Clamped – NPC), az aktív NPC (ANPC) és a T-topológiájú változatok. Ezzel szemben az 1700 V-os SiC MOSFET-ek használata lehetővé teszi, hogy a tervezők megszabaduljanak ezektől a korlátoktól, és visszatérjenek a 3. ábra jobb oldalán látható elegánsabb, kétszintű áramkörhöz, amelyben az alkalmazott félvezetőeszközök száma a felére csökken és egyszerűbb a vezérlés is.

3. ábra A jellemzően szilícium IGBT-kből felépített, bonyolult, háromszintű topológiák (balra) az 1700 V-os SiC MOSFET-ek felhasználásával elegánsabb és megbízhatóbb kétszintű topológiákká egyszerűsíthetők, amelyekhez félannyi – vagy kevesebb! – modul is elegendő

Ezen a ponton érdemes említést tenni a SiC MOSFET-ek teljesítménytokozásának és a megfelelő kapuelektróda-meghajtásának fontosságáról. Mivel a SiC nagyon nagy kapcsolási frekvencián képes nagy teljesítményszintet kapcsolni, figyelmet kell fordítani a feszültségtúllövés elkerülésére és az elektromágneses zajkibocsátás csökkentésére. Ezekben az alkalmazásokban a közepes teljesítményű konverterek kapcsolói rutinszerűen szakítanak meg több száz ampert egy 1000...1300 V-os buszon egy mikro­sze­kundum alatt, ami miatt a lehető legalacsonyabb parazita­in­duktivitásra kell törekedni, és intelligens, gyors működésű kapumeghajtókat, valamint optimális alkatrészelrendezést kell megvalósítani.
A Microchip Technology SP6LI teljesítménytokozásának és az AgileSwitch^® digitális kapumeghajtó-termékcsaládjának együttes használata kész megoldásokat kínál a tervezőknek, hogy az 1700 V-os SiC MOSFET-ek használatából a lehető legtöbb előnyt aknázhassák ki anélkül, hogy szembesülniük kellene ezekkel a gyakori kihívásokkal.

A megawattok világa

A megawatt feletti teljesítménytartományban a kulcsfontosságú tervezési szempontok közül kiemelkedik a „skálázhatóság”, azaz a megoldásnak az alkalmazás teljesítményigénye szerinti konfigurálhatósága. Fontos továbbá a minimális karbantartásigény, amely elemi megoldásegységek moduláris használatát indokolja. A 4. ábrán is látható, elemi egységként használható modulokat gyakran nevezik teljesítményelektronikai „építőkockáknak”, moduloknak vagy alegységeknek, amelyekből egymásra lépcsőzött teljeshidas (H-topológiájú), vagy moduláris, többszintű konverterek (Modular Multi-level Converter – MMC) építhetők fel. A megawattos tartományú alkalmazások között megtaláljuk a félvezetőalapú „transzformátorhelyettesítőket” (Solid State Transformer – SST), a középfeszültségű egyenfeszültség-elosztó rendszereket, a közhasznú és nehéz közlekedési eszközök hajtásait (Traction Power Unit – TPU), a központi naperőművek és a partközeli szélenergia-farmok invertereit és a hajófedélzeti energiaellátó rendszereket.

4. ábra A bal oldalon egy moduláris, többszintű konverter felépítése látható több cella felhasználásával a kívánt teljesítményhatár megvalósítása érdekében, jobbra pedig példát látunk arra, hogyan lehet ugyanezt megvalósítani egy egyszerű, kétszintű konfigurációval az 1700 V-os SiC MOSFET-ek felhasználásával

 
Eredetileg a teljesítményelektronikai „egységcellákban” 1200-tól 1700 V-ig terjedő zárófeszültségű szilícium IGBT-ket használtak. Az egységcellák 1700 V-os SiC MOSFET-eken alapuló felépítése a kisebb teljesítményszintű alkalmazásokhoz hasonlóan ugyancsak kiterjeszti a feldolgozható teljesítmény határát és javítja az elektromos minőségi jellemzőket. Amint azt korábban említettük, az 1700 V-os SiC MOSFET-ek kapcsolási veszteségei sokkal alacsonyabbak, ami a kapcsolási frekvencia növelését és az egyes egységcellák méretének drasztikus csökkentését teszi lehetővé. Ezenkívül a magas, 1700 V-os zárófeszültség csökkenti az adott egyenáramú bemeneti feszültséghez szükséges egységcellák számát, és ezzel végső soron növeli a rendszer megbízhatóságát és csökkenti a költségeket.

Összefoglalás

Az 1700 V-os SiC MOSFET-ek piacra lépéséből származó előnyöket számos alkalmazás és végtermék kamatoztatja a csökkentett költség mellett is elérhető nagyobb megbízhatóság révén – miközben a villamosenergia-átalakítók egyidejűleg kisebbek, könnyebbek és nagyobb hatásfokúak is lehetnek. A wattoktól a megawattokig terjedő teljesítménytartományban a nagyfeszültségű SiC MOSFET-ek lehetővé teszik, hogy a tervezők túlléphessenek a szilícium kapcsolóelemek kényszerű kompromisszumain és áttörő fejlődést érhessenek el a villamosenergia-átalakító rendszerekben. Amellett, hogy a SiC-teljesítménykapcsolók az iparág leginkább ellenálló eszközei a használattal járó – tervezett és váratlan – igénybevételekkel szemben, a korszerű, rendkívül alacsony parazitainduktivitású tokozatok és a digitális kapumeghajtók segítik a tervezőket abban, hogy a legmagasabb használati értéket tudják kihozni a SiC által nyújtott lehetőségekből, és felgyorsíthassák a piacképes végtermékek fejlesztési folyamatát.
A Microchip Technology tovább terjesztette a SiC-termékeinek választékát azzal, hogy piacra hozta az iparág legkisebb bekapcsolt csatornaellenállással (R_DSon) rendelkező, 3,3 kV-os SiC MOSFET-jeit, valamint a legnagyobb áramterhelhetőségű SiC SBD-it (Schottky Barrier Diode), amelyek lehetővé teszik a tervezők számára, hogy egyszerre élvezhessék a teherbírás, a megbízhatóság és a teljesítőképesség előnyeit. A 3,3 kV MOSFET-ek és SBD-k teszik teljessé a Microchip Technology egyébként is széles SiC-termékválasztékát, amelyben a 700, 1200 és 1700 V-os termékek tokozatlan csipként és tokozott kivitelben, valamint szerelt modul formájában is megtalálhatók a megfelelő kapumeghajtó egységekkel együtt.

Jegyzetek

1. Általános törekvésünk, hogy a szakma kevéssé ismert angol szakkifejezéseit kifejező ma­gyar fordításban is közöljük. Ez a „flyback” kifejezéssel kapcsolatban nem vezetett meggyőző eredményre. Mivel azonban a szakterülettel foglalkozók körében az angol kifejezés közismert, továbbá a jelen cikk további része az áramköri felépítést is egyértelműen bemutatja, eltekintünk a kifejezés magyar fordításától. (A ford. megj.)
2. Ez sokkal inkább az alapanyagtól és a gyártástechnológiától, semmint az egyedi terméktípustól függő paraméter. (A szerk. megj.)
3. További előny, hogy egy kisméretű tokozattal a kapcsolók tranziens viselkedését – egyebek közt a maximális kapcsolási frekvenciáját is – jelentősen befolyásoló parazitainduktivitást is könnyebb alacsony értéken tartani. (A szerk. megj.)
4. A szerkesztő véleménye ezen a ponton eltér a szerzőkétől, mivel a példaként említett nap- és szélenergia konvertereknél a tartós, nagy teljesítményű igénybevételnek legalább akkora
   a valószínűsége, mint a minimális terhelésű időszakoknak (hiszen éppen ebben rejlik a szél- és napenergia kiaknázásának gazdasági előnye). Ez esetben viszont a folyamatos, tartósan nagy teljesítményű üzem is a működési idő jelentős hányadát teszi ki. Következésképpen a rendszer hűtését a csúcsterhelésre, és nem a terhelés hosszú idejű átlagára kell méretezni. A szerzők jelen érvelése csak az alkalmazás időbeli terheléseloszlásának bizonyos sajátos eseteiben helytálló. (A szerk. megj.)

Szerző: Xuning Zhang és Kevin Speer – Microchip Technology

www.microchip.com