Новости при SiC и GaN базираните силови компоненти - част I

Начало > Електроника > Статии > Сп. Инженеринг ревю - брой 8/2023 > 30.11.2023

Новости при SiC и GaN базираните силови компоненти - част I | Инженеринг ревю, снимка 1

Мощните полеви (FET) транзистори изградени на базата на галиев нитрид - Gallium Nitride (GaN) и силициев карбид - Silicon Carbide (SiC) позволяват по-високи нива на мощност и ефективност в сравнение с традиционните полеви транзистори (silicon metal-oxide semiconductor field-effect transistors - MOSFET). И галиевият нитрид, и силициевият карбид са полупроводникови материали с широка забранена зона (wide bandgap, WBG), но между тях има фундаментални разлики, които определят приложенията им определени видове електронни схеми. Когато разглеждаме тези два типа полупроводникови прибори винаги сравняваме работни напрежения и токове, загуби, скорости на превключване, топлинна проводимост, цена и подходящи приложения.

 

MOSFET транзисторите изминават дълъг път на развитие от патента на Юлиус Лилиенфелд през 1925 г, през лабораториите на Bell Labs през петдесетте и началото на шейсетте години, до първите серийно произвеждани транзистори и първата MOS интегрална схема (ИС) представена от General Microelectronics през 1964 г.

С въвеждането на биполярните транзистори с изолиран гейт (insulated gate bipolar transistors - IGBT) през 1980 г. се появява нова алтернатива за приложения с доста по-високи напрежения и токове, в сравнение с традиционните силициеви изправители и тиристори. IGBT приборите се превръщат в основни силови електронни компоненти за променливотокови и постояннотокови управления за електрически машини и задвижвания, непрекъсваеми захранвания и индукционни нагреватели.

Типичната работна честота за подобни приложения със силициеви прибори е до 20 kHz, докато със SiC тя може да достигне 100 kHz, а с GaN до 140kHz – което води до намаляване на размерите и теглото на системите.

Със старта на пазарното предлагане на WBG транзисторите след 2010 г., GaN и SiC силовите прибори промениха и продължават да променят съвременната силова електроника и всички свързани с нея отрасли.

Тези компоненти предлагат съществени подобрения спрямо класическите силициеви MOSFET и IGBT. Техният по-малък капацитет на гейта води до по-ниски загуби при управление, както и по-кратки времена на превключване. За сравнение - GaN транзистор се нуждае от заряд на гейта от 1 nC-W, докато при силициевия тази стойност е 4 nC-W.

Освен това WBG компонентите осигуряват и чувствително по-нисък изходен капацитет, което позволява на конструкторите да постигат по-високи честоти на превключване без увеличаване на съответните загуби, което води до намаляване на размера и теглото на цялата система. Типичен GaN транзистор има изходен заряд 5 nC-W, а при класическия силициев стойността е 25 nC-W.

Разбира се, всички тези високоволтови прибори имат специфични характеристики при различни нива на мощност и работна честота. WBG транзисторите се развиват постоянно и вече са преминали през няколко генерации, като всяка следваща е с по-малко съпротивление в отпушено състояние RdsON, по-компактни физически размери, със същата или по-голяма мощност, подобрена устойчивост на късо съединение, както и с по-ефективни (по отношение на електрическите и термичните параметри) корпуси (фиг. 1).

 

 height=

 

GaN и SiC приборите обслужват различни нива на мощност в различни приложения. Така например SiC осигуряват работни напрежения над 2000 V при високи токове. Това ги прави подходящи за приложения в автомобилни и локомотивни инвертори, соларни паркове, мощни трифазни мрежови конвертори, вградени и външни зарядни станции (не само кабелни, но и безжични такива).

GaN от друга страна са типично 600-волтови прибори и се използват в конвертори за мощности, достигащи 10 kW и повече. Приложенията на GaN силовите компоненти включват потребителски, телекомуникационни и индустриални захранвания, серво задвижвания, вградени и външни зареждащи блокове за хибридни и електрически автомобили, както и ключови захранвания/преобразуватели за постояннотокови приложения. Въпреки фундаменталните различия, двете технологии се припокриват и конкурират в определени области, като обикновено състезанието печелят тези с най-ниска цена, но GaN са без алтернатива за мощни високочестотни приложения като радиопредаватели и радари.
В следващите редове ще представим някои от основните приложения на WBG прибори в автомобилостроенето и индустрията.

 

Задвижващи инвертори

Те конвертират постоянното напрежение от батериите (48 V, 400/800 V) към трифазно променливо напрежение за управление на електрическата машина/мотор. Типични представители на подходящи транзистори са SCTHS250N65G3AG (650 V; 237 A; 6,7 mW) и SCTHS300N75G3AG (750 V; 300 A; 6,5 mW) на STMicroelectronics, както и SCTHS200N120G3AG (1200 V; 170 A; 9,3 mW). Подобни са и приборите на ONSemi от фамилията EliteSiC - NTBG028N170M1, (1700 V; 81 A; 28 mW) в D2PAK-7L и NTHL1000N170M1 (1700 V; 4,2 A; 960 mW) в стандартни корпуси TO-247.

Интерес представляват произвежданите от NXP драйвери GD3162, а на фиг. 2 е представено и цялостно изпълнение на реализиран с тях задвижващ инвертор. Новост при SiC драверите са IX4351NE на Littelfuse, както и UCC5871/UCC5880 на Texas Instruments.

 

 height=

 

DC/DC конвертори

Те се използват за преобразуване на високото DC (400-800 V) напрежение към ниско напрежение (24/12 VDC) за захранване на слаботокова електроника, компресори и т.н. Типична конструкция на DC/DC конвертор, реализиран със SiC транзистори на Wolfspeed и управление от Texas Instruments е показана на фиг.3.

 

 height=

 

Вградени зарядни в електромобили

Вградените зарядни блокове за електромобили (On-Board Charger - OBC) конвертират променливото напрежение от захранващата мрежа (95-265 VAC или 400 VAC) към по-високо DC напрежение 400/800 VDC което се изисква за зареждане на батерията. Тук базираните на SiC прибори са с повсеместно приложение в целия диапазон от мощности, а GaN е широко използвано решение при зарядна мощност до 6-7 kW

Друго класическо приложение са

 

трифазните двупосочни инвертори

които се използват както за зарядни станции, така и за индустриални, стационарни балансиращи батерийни източници. Тук Toshiba Semiconductor предлага нова фамилия трета генерация SiC MOSFET, включваща
5 транзистора в обхвата от 650 V и още 5 транзистора в обхвата от 1200 V. Интересен пример е новият TW045Z120C, при който времето за превключване е с приблизително 40% по-малко и има 34% по-малко загуби от предшественика си TW045N120C (и двата в TO-247 корпус). На фиг. 4 може да видим класическа топология на 3-фазен инвертор.

 

 height=


За нисковолтови автомобилни и индустриални приложения производителят Efficient Power Conversion (EPC) е разработил специфични GaN в BGA и LGA корпуси подходящи за едно и двупосочни DC/DC захранвания.

 

Статията продължава в бр. 1/2024 на сп. Инженеринг ревю


Вижте още от Електроника


Ключови думи: WBG транзистори, задвижващи инвертори, DC/DC конвертори, зарядни блокове, трифазни двупосочни инвертори





Top