900 В карбид-кремниевые MOSFET от Wolfspeed для инверторов электромобилей

3 ноября

телекоммуникацииуправление питаниемуправление двигателемWolfspeed (A Cree Company)статьядискретные полупроводникиSiCMOSFETAC-DCMotor DriveКарбид кремния

Александр Шрага (г. Москва)

Технологические инновации, реализованные компанией Wolfspeed в области MOSFET на базе карбида кремния, позволили ей стать лидером рынка инверторных приводов современных электромобилей, а также разработать – на базе того же карбида кремния – решения для бортовых и внешних зарядных устройств электромобилей.

Постепенный отказ от углеводородов и переход на альтернативные источники энергии ставит перед разработчиками и производителями электроники новые задачи, связанные с повышением энергоэффективности устройств. С этим связано пристальное внимание многих производителей к технологиям, использующим полупроводники с широкой запрещенной зоной (WBG), и соответствующее финансирование исследований в этой области. Дело в том, что полупроводниковые материалы с WBG по сравнению с традиционным кремнием выдерживают гораздо более высокие напряжения и температуры, что позволяет создавать более компактные, быстрые, энергоэффективные и надежные силовые приборы. Напомним, что ширина запрещенной зоны – это энергия, необходимая для перехода электронов из валентной зоны материала в зону проводимости. В таблице 1 приведены размеры запрещенной зоны ряда популярных полупроводниковых материалов.

Таблица 1. Ширина запрещенной зоны ряда полупроводниковых материалов

Материал Условное обозначение Ширина запрещенной
зоны (WBG), эВ
Кремний Si 1,1
Арсенид галлия GaAs 1,4
Карбид кремния SiC 3,3
Нитрид галлия GaN 3,4

По данным Министерства энергетики США, полупроводники WBG выдерживают напряжения, более чем в 10 раз превышающие напряжения на кремниевых устройствах, и теоретически могут сократить до 90% потерь мощности при передаче энергии. Увеличение напряжения при заданной мощности и пропорциональное уменьшение тока позволяет сократить потери на сопротивлениях проводников, открытых каналов транзисторов и прочее.

Все это открывает широкие перспективы в области разработки и производства преобразователей энергии на основе WBG-полупроводников для различных приложений, таких как солнечные батареи, ветроэнергетические установки, гибридный и электротранспорт, беспилотные летательные аппараты и пр.

Одним из лидеров в области разработки и производства приборов на основе материалов с WBG является американская компания Wolfspeed (дочерняя компания концерна Cree), которая специализируется на дискретных устройствах на основе карбида кремния (SiC) и модулях для радиочастотных и силовых устройств.

Транзисторы SiC MOSFET от компании Wolfspeed обеспечивают более высокую частоту переключений и позволяют уменьшить размеры таких компонентов, как катушки индуктивности, конденсаторы, фильтры и трансформаторы. SiC MOSFET могут не только заменить кремниевые транзисторы, но и обеспечить более низкие потери на переключение и проводимость с более высокими значениями блокирующих напряжений. Компания установила новый стандарт энергоэффективности силовых ключей, когда в 2011 году создала первый в отрасли МОП-транзистор на основе карбида кремния, и с тех пор совершенствует эту технологию. SiC от Wolfspeed является основой для бесчисленного множества приложений на автомобильном, промышленном и энергетическом рынках.

Ключевые моменты, связанные с применением и перспективами развития технологии и производства SiC, которые приведены ниже, взяты из интервью директора Wolfspeed по продукции силовой электроники Гая Мокси (Guy Moxey) журналу Charged Electric Vehicles.

Применение и коммерческие возможности роста рынка устройств на основе SiC

Компания Cree – пионер в области технологии, использующей карбид кремния, в частности, для светодиодов высокой мощности. Рынок SiC является относительно новым, но за предыдущее десятилетие продукты стали коммерчески жизнеспособными. Рынок быстро растет благодаря следующим возможностям этой технологии:

  • Сокращение до 90% потерь мощности при AC/DC- и DC/AC-преобразовании энергии;
  • Работа при более высоких максимальных температурах по сравнению с кремниевыми устройствами, что повышает общую надежность системы;
  • Существенное уменьшение массогабаритных характеристик устройств;
  • Работа на более высоких частотах по сравнению с кремниевыми устройствами, что позволяет создавать не только более компактные, но и менее дорогостоящие изделия.

SiC, в основном, делает то же самое, что и кремний, но делает это гораздо эффективнее. Рынок приборов на основе SiC растет за счет законодательной поддержки, потребительского спроса и сокращения стоимости энергии.

Карбид кремния лучше всего подходит для высоковольтных приложений. Силовой полупроводник SiC вряд ли можно найти в сотовом телефоне, который работает при максимальном напряжении около 4 В. В ультрапортативных приложениях кремний работает нормально, отлично справляется со своей задачей и довольно экономичен для низковольтных систем.

Карбид кремния предназначен прежде всего для применения в диапазоне напряжений от 600 В до 10 кВ.

В краткосрочной и среднесрочной перспективе устройства SiC будут дороже кремниевых из-за стоимости сырья. Однако для многих приложений питания повышение эффективности, обеспечиваемое SiC, приведет к большей экономии затрат по всей системе.

Применение SiC – это не просто замена кремниевого ключа в изделии на ключ на базе карбида кремния. При использовании компонентов на основе SiC необходим редизайн устройства: изменение компоновки компонентов, трассировка платы и прочее. Взамен разработчик сможет, например, уменьшить количество ключей, увеличить частоту коммутации, уменьшить размер и стоимость всех связанных компонентов. Другими словами, SiC позволяет повысить общую эффективность системы и сократить расходы на материалы.

Известно, что применительно к электромобилям и другим транспортным средствам важными характеристиками являются форм-фактор, размер, вес и охлаждение. Использование SiC позволяет не только увеличить эффективность системы, но и уменьшить все эти характеристики.

Сегодня компания Wolfspeed выпускает целый ряд SiC MOSFET, специально предназначенных для силовых агрегатов (drivetrain) электромобилей, которые позволяют повысить эффективность использования энергии, снизить высокие затраты на аккумуляторные батареи, сократить время зарядки и увеличить запас хода.

Wolfspeed предлагает самый полный в отрасли перечень высокопроизводительных SiC-компонентов, которые представлены семейством устройств в новой серии E. Это первые коммерчески доступные SiC MOSFET и диоды, прошедшие сертификацию AEC-Q101 для автомобилей и соответствующий PPAP. Серия Е обеспечивает самые низкие в отрасли потери на переключение и самый высокий показатель качества. MOSFET-транзисторы серии E оптимизированы для использования в зарядных устройствах электромобилей и высоковольтных DC/DC-преобразователях. Серия предлагает разработчикам высочайшую доступную удельную мощность и коррозионную стойкость для бортовых и внешних автомобильных систем преобразования энергии, инверторов солнечных батарей и других приложений.

Среди продукции компании – широкий спектр SiC MOSFET третьего поколения с максимальными напряжениями «сток-исток» (Uси макс.) 650 В, 900 В, 1000 В, второго и третьего поколений с Uси макс.=1200 В и второго поколения с Uси макс.=1700 В.

Ниже, в таблице 2, приведены основные параметры доступных, рекомендуемых для новых разработок 900 В транзисторов третьего поколения.

Таблица 2. Рекомендуемые для новых разработок 900 В SiC MOSFET третьего поколения

Наименование UСИ МАКС. , В RDS(ON), T=25°C, мОм IС НОМ., А QЗАТВ., нКл CВЫХ, пФ PTOT, Вт TМАКС. ПЕРЕХОДА, °C Корпус
E3M0280090D 900 280 11,5 9,5 20 54 150 TO-247-3
E3M0120090D 900 120 23 17 40 97 150 TO-247-3
E3M0065090D 900 65 35 30 60 125 150 TO-247-3
C3M0280090J 900 280 11,5 9,5 20 50 150 TO-263-7
C3M0280090D 900 280 11,5 9,5 20 54 150 TO-247-3
C3M0120090J 900 120 22 17 40 83 150 TO-263-7
C3M0120090D 900 120 23 17 40 97 150 TO-247-3
C3M0065090J 900 65 35 30 66 113 150 TO-263-7
C3M0065090D 900 65 36 30 66 125 150 TO-247-3
C3M0030090K 900 30 63 87 131 149 150 TO-247-4

На рисунке 1 представлены транзисторы с блокирующим напряжением 1000 В. Изделия оптимизированы для устройств с быстрым переключением, таких как системы зарядки электромобилей, промышленные источники питания и системы возобновляемых источников энергии. Например, четырехвыводной транзистор на рисунке 1 – C3M0065100K (UСИ=1000 В, ID@25°C =35 A, RDS(ON)= 65 мОм).

Рис. 1. SiC MOSFET C3M0065100K

Рис. 1. SiC MOSFET C3M0065100K

Серийные автомобили, содержащие силовые продукты SiC

Сегодня на дорогах можно встретить электромобили различных марок, содержащие SiC-продукцию силовой электроники Wolfspeed. За последние годы компания выиграла множество тендеров на проектирование систем бортовой зарядки и DC/DC-преобразователей для электромобилей на основе SiC, которые, как указывалось выше, обеспечивают более высокую частоту переключений, меньшие потери, меньшие размеры системы, что является огромным преимуществом для автомобиля.

Среди номенклатуры, которую предлагает Wolfspeed, имеются мощные чипы, отвечающие требованиям, характерным для силовых агрегатов электромобилей. Компания выполнила все необходимые исследования и разработки, создала коммерческий продукт и продолжает работу с разработчиками электромобилей. Текущий рейтинг новых чипов Wolfspeed дает разработчикам то, чего они ждали от технологии SiC.

В автомобильной промышленности проводится тщательное тестирование систем, но окончательная проверка – это испытания в полевых условиях. Качество и надежность должны быть на высшем уровне.

Сегодня, с запуском в производство изделий, ориентированных на инверторы двигателей, компания Wolfspeed сфокусировала свое внимание на силовых агрегатах электромобилей.

Преимущества SiC перед традиционными высокоэффективными кремниевыми коммутаторами систем «двигатель/инвертор»

В электромобиле потери инверторного привода составляют около 7% от общих потерь. Так что инвертор и система двигателя довольно эффективны по сравнению с коробкой передач и подшипниками. Но в электромобиле очень важно с максимальным КПД использовать аккумулятор. То, что может показаться небольшим увеличением КПД, на самом деле приводит к заметному увеличению расстояния, которое может пройти электромобиль без подзарядки аккумулятора.

По данным Wolfspeed, использование 900 В SiC MOSFET с сопротивлением открытого канала Rds 10 мОм может снизить потери инвертора на целых 78%. Таким образом, потери энергии в приводе мотора, составляющие примерно около 7% от общих потерь автомобиля, можно снизить до 2%, и, спроектировав инвертор с SiC, уменьшить емкость аккумуляторной батареи, достигнув той же дистанции пробега без подзаряда, или увеличить дистанцию для данного аккумулятора.

Силовой модуль на 900 В, который продемонстрировала компания Wolfspeed, имеет удивительно низкое сопротивление Rds(on) 2,5 мОм. Это очень важный параметр. Уменьшение величины Rds(on) напрямую связано с уменьшением потерь.

Самые большие проблемы Wolfspeed при разработке устройств SiC для инверторов

Корпусирование – одна из проблем, связанных с сильноточными чипами SiC. Если взять типовой модуль и просто заменить в нем устаревшие кремниевые чипы на SiC-чипы, то получить заявленные для SiC параметры не удастся. Кремниевые чипы переключаются медленно, поэтому модули на их основе могут иметь большие индуктивности. Но если разработчику необходимо увеличить частоту переключений в три, четыре или пять раз, придется грамотно спроектировать плату с учетом возникающих паразитных связей. Необходимо минимизировать индуктивности и использовать потенциал SiC, изменив проводные соединения и детали, которые вы подключаете или паяете. Кроме того, тепловые характеристики SiC сильно различаются, поэтому компоненты управления температурой также должны быть переработаны.

По сути, когда вы подключаете SiC, используя корпус модуля для кремниевых транзисторов, это все равно, что взять двигатель от Lamborghini и поместить его в четырехдверный седан эконом-класса. Поэтому Wolfspeed постоянно работает над совершенствованием корпусирования.

Модуль CAS325M12HM2 (рисунок 2) – первый в мире коммерческий модуль, разработанный специально для SiC. На рисунке 3 представлен полумостовой модуль CAB760M12HM3 (1200 В, 760 А) с ультравысокой плотностью мощности и рабочей температурой перехода до 175°С.

Рис. 2. Модуль CAS325M12HM2 на основе транзисторов SiC

Рис. 2. Модуль CAS325M12HM2 на основе транзисторов SiC

Рис. 3. Дизайн полумостового модуля CAB760M12HM3 с ультравысокой плотностью мощности

Рис. 3. Дизайн полумостового модуля CAB760M12HM3 с ультравысокой плотностью мощности

Силовой агрегат электромобиля/главный инвертор

Cиловой агрегат электромобиля (рисунок 4) приводит его в движение. Инженеры стремятся разработать систему, которая заставляет все движущиеся части выполнять свою работу плавно, но быстро, с меньшим энергопотреблением и по более низкой цене. Многие разработки сегодня базируются на SiC MOSFET 1200 В от Wolfspeed благодаря его способности выдерживать большой ток и самому низкому в отрасли сопротивлению «сток-исток», что увеличивает пробег автомобиля от одной зарядки аккумулятора.

Рис. 4. Главный инвертор и силовой агрегат электромобиля

Рис. 4. Главный инвертор и силовой агрегат электромобиля

Ниже (рисунки 5, 6) приведены внешний вид и структурная схема трехфазного инвертора мощностью 250 кВт с лучшими в своем классе удельной мощностью и эффективностью на уровне системы. Этих показателей удалось достичь за счет использования силовых модулей XM3 от Wolfspeed. В инверторе использованы три полумостовых модуля SiC CAB425M12XM3 1200 В, 425 А и три драйвера затворов CGD12HBXMP. Платформа силового модуля XM3 оптимизирована для SiC MOSFET с высокой плотностью мощности и низкой индуктивностью, что снижает потери на уровне системы и упрощает ее общую схемотехнику.

Рис. 5. 250 кВт трехфазный инвертор CRD250DA12E-XM3

Рис. 5. 250 кВт трехфазный инвертор CRD250DA12E-XM3

Рис. 6. Структурная схема инвертора CRD250DA12E-XM3

Рис. 6. Структурная схема инвертора CRD250DA12E-XM3

Отличия продукции для инверторов от изделий, используемых для зарядных устройств и DC/DC-преобразователей

Зарядное устройство имеет такое же напряжение, но его номинальная мощность намного ниже. Обычно мощность бортового зарядного устройства составляет от 3 до 6 кВт, а для привода двигателя нужны сотни кВт. Кроме того, эти изделия работают по разному. Например, с преобразователем DC/DC необходимо работать на максимально возможной частоте, потому что чем выше частота, тем меньше размеры трансформаторов, что снижает стоимость и вес всей системы. При использовании кремния в DC/DC-преобразователях частота переключения ограничена несколькими сотнями кГц, в противном случае происходит перегрев и устройство становится неэффективным, тогда как с SiC мы можем добиться в несколько раз большей частоты без каких-либо потерь эффективности.

Приборы SiC, используемые в бортовых зарядных устройствах, меньше, легче и быстрее, чем разработанные Wolfspeed изделия для автомобильного привода. Это связано с тем, что инвертору нужен большой ток и относительно низкая частота коммутации. Компания разработала бескорпусный транзистор SiC (Bare Die SiC MOSFET) с самым высоким номинальным током – MOSFET на 900 В, 10 мОм, рассчитанный на 196 А непрерывно протекающего тока стока (CPM3-0900-0010A).

Встроенные DC/DC-преобразователи

Разнообразные системы электромобилей питаются от различных напряжений – силовая установка, система отопления, вентиляции и кондиционирования, стеклоподъемники, внутреннее и внешнее освещение, информационно-развлекательная система и датчики ремня безопасности – вот лишь некоторые из очень длинного списка этих систем. Встроенный DC/DC-блок (рисунок 7) должен корректно преобразовывать и распределять напряжения для каждого устройства в режиме реального времени, позволяя всем системам работать как одно целое. Устройства SiC гарантируют, что этот процесс будет происходит быстрее, надежнее и с большей эффективностью, чем любое решение на основе кремния.

Рис. 7. Встраиваемый DC/DC-преобразователь электромобиля

Рис. 7. Встраиваемый DC/DC-преобразователь электромобиля

Внешнее быстрое зарядное устройство

Внешнее зарядное устройство (рисунок 8) преобразует входной переменный ток от внешнего источника в постоянный ток, необходимый для экосистемы электромобилей. Водители, привыкшие к пятиминутной заправке бензином, не горят желанием часами ждать, пока их автомобиль сможет снова выехать на дорогу. Превосходная скорость переключения, обеспечиваемая карбидом кремния, лежит в основе новых быстрых зарядных устройств.

Рис. 8. Внешнее устройство для быстрой зарядки электромобиля

Рис. 8. Внешнее устройство для быстрой зарядки электромобиля

Бортовое зарядное устройство

Данное устройство (рисунок 9) преобразует мощность постоянного тока от аккумуляторной подсистемы в мощность переменного тока для главного двигателя, а когда автомобиль получает питание от внешней сети, схема выпрямителя преобразует энергию переменного тока в энергию постоянного тока для подзарядки аккумулятора. Помимо этого, система собирает кинетическую энергию, создаваемую при движении транспортного средства посредством рекуперативного торможения, и также направляет ее в аккумулятор. На каждой стадии компоненты на основе карбида кремния выполняют эти функции быстрее, с меньшими выделениями тепла и меньшими потерями энергии, чем в решениях на базе кремния. Выигрыш может составлять до 60%.

Рис. 9. Бортовое зарядное устройство

Рис. 9. Бортовое зарядное устройство

 

GaN – еще одна технология WBG. Потенциал применения GaN в электромобилях

Wolfspeed производит больше изделий GaN, чем кто-либо другой в мире, но в основном использует их для мощных радиочастотных устройств. Компания считает, что эти изделия лучше всего подходят для низковольтных сверхвысокочастотных переключений в мегагерцевом и гигагерцевом диапазонах. Некоторые компании работают над использованием GaN на кремнии в силовых преобразователях, однако это достаточно инновационный технологический подход.

Специалисты компании Wolfspeed считают, что GaN хорошо дополняет SiC, поскольку отлично работает в приложениях с диапазоном напряжений 40…600 В. По словам экспертов в области GaN, эти устройства могут быть более экономичными, чем компоненты на основе кремния. Так что, если GaN сможет работать лучше и продаваться по более низкой цене, у этой технологии есть перспективы.

Но для такого применения, как инвертор силового агрегата электромобиля, GaN не подходит. В случае GaN для получения больших токов необходимы очень большие чипы, более крупные корпуса и более высокие затраты.

Вся продукция компании Wolfspeed доступна для приобретения у ее официального дистрибьютора на территории Российской Федерации – компании КОМПЭЛ.

Дополнительная информация

  1. Power Electronics
  2. Интервью Guy Moxey журналу Charged Electric Vehicles
  3. wolfspeed.com
•••

Наши информационные каналы

О компании WOLFSPEED (A Cree Company)

Компания Wolfspeed, входящая в структуру CREE Inc., является мировым лидером в производстве полупроводниковых кристаллов из карбида кремния (SiC) и приборов на их основе. Полевые транзисторы, диоды и другие полупроводниковые приборы на основе карбида кремния обладают рядом преимуществ по сравнению с аналогичными кремниевыми приборами. Среди них – рабочая температура кристалла до 600°С, высокое быстродействие, радиационная стойкость. В настоящее время Wolfspeed производит высоковольтные SiC ди ...читать далее

Товары
Наименование
CAB760M12HM3 (CREE PWR)
C3M0065090J (CREE PWR)
C3M0120090J (CREE PWR)
C3M0280090J (CREE PWR)
C3M0065100J (CREE PWR)
C3M0120100J (CREE PWR)
C3M0075120J (CREE PWR)
C2M1000170J (CREE PWR)
C3M0065100K (CREE PWR)
C3M0120100K (CREE PWR)
C3M0075120K (CREE PWR)
C3M0032120K (CREE PWR)
C3M0032120D (CREE PWR)
C3M0021120K (CREE PWR)
C3M0021120D (CREE PWR)
C3M0016120K (CREE PWR)
C3M0016120D (CREE PWR)
CAB450M12XM3 (CREE PWR)
CAB400M12XM3 (CREE PWR)
CAS300M12BM2 (CREE PWR)