Мощные карбид-кремниевые модули Wolfspeed для выпрямителей зарядных станций автомобилей

29 января

управление питаниемуправление двигателемответственные примененияWolfspeed (A Cree Company)статьядискретные полупроводникиAC-DCMotor DriveSiC MOSFETSIC module

Александр Русу (г. Одесса)

Мощные высокоскоростные силовые модули семейства XM3 на базе карбид-кремниевых MOSFET разработаны компанией Wolfspeed в первую очередь для применения в выпрямителях зарядных станций автомобилей. Их главное преимущество – минимальные значения паразитных индуктивностей.

Глобальные экологические проблемы, стоящие перед человечеством, давно вынуждают внедрять энергосберегающие технологии во все сферы человеческой жизни. Не является исключением и транспорт, на долю которого приходится внушительная часть дополнительных выбросов парниковых газов и других вредных веществ. На сегодняшний день оптимальной альтернативой двигателям внутреннего сгорания и дизельным двигателям являются электродвигатели, обладающие лучшими техническими характеристиками, в первую очередь – высоким КПД. И хотя замена одного типа двигателя на другой не решает в корне экологических проблем, ведь электроэнергию все равно необходимо где-то производить, но в комплексе с распространением альтернативных источников энергии переход на электрическую тягу позволяет ощутимо улучшить экологическую ситуацию на планете.

Неудивительно, что общее количество всех видов электро- и гибридных автомобилей увеличивается с каждым годом. По прогнозам экспертов всего через двадцать лет – к 2040 году – общее количество транспорта, в той или иной мере использующего электрическую тягу, будет составлять около 90% от общего количества транспортных средств (рисунок 1).

Рис. 1. Прогноз развития мирового рынка автомобилей

Рис. 1. Прогноз развития мирового рынка автомобилей

Эти изменения затронут не только сегмент легковых автомобилей. Постепенно на электрическую или гибридную тягу перейдут все виды транспорта, в первую очередь – пассажирский и грузовой транспорт, в том числе мощные тягачи, работающие в сфере междугородних и международных перевозок (рисунок 2).

Однако внедрение электротранспорта невозможно без развертывания необходимой инфраструктуры. Развитие технологий производства электрических аккумуляторов, позволившее значительно увеличить скорость зарядки, а также появление электромобилей, оснащенных батареями большой емкости, требует создания мощных зарядных станций, способных за короткое время передать в накопитель значительное количество электрической энергии. Появление подобных станций позволяет не только решить чисто технические проблемы, но и способствует росту привлекательности этого вида транспорта, ведь значительная длительность заряда и ограниченность существующей инфраструктуры все еще являются серьезными недостатками электромобилей.

Рис. 2. Относительная доля электромобилей от общего количества транспорта по типам

Рис. 2. Относительная доля электромобилей от общего количества транспорта по типам

Кроме этого, с каждым годом все больше специалистов рассматривают электротранспорт в качестве составной части глобальной энергосистемы. Наличие аккумулятора достаточно большой емкости позволяет рассматривать электромобили, как минимум, в качестве резервного источника питания для домашних нужд, а как максимум – в качестве средства для сглаживания пиковых нагрузок в общей энергосистеме. В этом случае зарядное устройство должно быть двунаправленным (Bidirectional Charge Station) и обеспечивать передачу энергии не только из сети в аккумуляторную батарею, но и в обратном направлении – из аккумулятора в сеть.

Возможность работы в двунаправленном режиме появилась во многом благодаря развитию альтернативной энергетики, в первую очередь – солнечных электростанций, инверторы которых преобразуют постоянный ток, создаваемый фотоэлементами, в переменное напряжение, отдавая в сеть выработанную электроэнергию. Кроме этого, данный принцип используется в промышленных системах накопления энергии, разработки которых продолжаются по всему миру. Таким образом, электромобили в ближайшем будущем могут стать не только средством передвижения, но и новым типом источников вторичного питания, использование которых может стать неотъемлемой частью нашей повседневной жизни.

До недавнего времени основой для создания большинства зарядных устройств были кремниевые полупроводниковые приборы: диоды, MOSFET и IGBT. Однако из-за малой ширины запрещенной зоны характеристики кремния как полупроводника в области высоких напряжений уже недостаточны для создания высокоэффективных преобразователей электрической энергии. Альтернативной основой для создания высоковольтных преобразователей является карбид кремния. Карбид-кремниевые приборы, благодаря лучшим характеристикам, с каждым годом становятся все популярнее и постепенно вытесняют традиционные кремниевые транзисторы и диоды, в первую очередь – из области, где преобразуются напряжения свыше 200 В.

Поскольку большинство зарядных устройств для электротранспорта рассчитаны на работу от сети переменного тока с высоким напряжением, очевидно, что использование карбид-кремниевых приборов позволит значительно повысить технические характеристики этого оборудования. В этой статье речь пойдет о решениях для выпрямителей зарядных станций, предлагаемых компанией Wolfspeed, являющейся подразделением одного из ведущих производителей электронных компонентов – компании CREE.

Тенденции развития зарядных станций для электротранспорта

Анализируя динамику изменения технических характеристик электромобилей, можно выделить следующие основные тенденции развития зарядных станций.

В первую очередь следует отметить, что емкость аккумуляторных батарей всех видов электротранспорта будет только увеличиваться. Это связано с ростом мощности двигателя и запаса автономного хода. Поскольку мощность является скоростью передачи энергии, то увеличение энергетической емкости аккумулятора потребует увеличения либо мощности зарядной станции, либо времени заряда. Поскольку время заряда необходимо, по возможности, сокращать, то, с точки зрения физики, быстро (за 10…15 минут) зарядить аккумуляторную батарею большой емкости, например, 60…80 кВт⋅ч, можно только мощным зарядным устройством.

Мощность является произведением напряжения и тока в цепи заряда, поэтому при увеличении мощности необходимо увеличивать либо выходное напряжение, либо выходной ток зарядного устройства. Увеличение тока потребует использования соединительных кабелей с более толстыми токопроводящими жилами, что негативно скажется на их весе, стоимости, цене и эксплуатационных характеристиках. Кроме того, максимальный ток разъемов для подключения зарядных станций также ограничен и обычно не превышает 500 А. Поэтому при увеличении мощности зарядного устройства в большинстве случаев приходится увеличивать выходное напряжение. В современных зарядных станциях напряжение заряда может достигать 800 В и выше.

Таким образом, выходная мощность современных зарядных станций может достигать 400 кВт, а для заряда аккумуляторов больших автомобилей – даже превышать 1 МВт. Только в этом случае время заряда можно довести до уровня, соизмеримого со временем заправки топливом автомобилей с традиционными двигателями внутреннего сгорания (рисунок 3).

Рис. 3. Зависимость времени заряда аккумулятора емкостью 60…80 кВт∙ч от мощности зарядной станции

Рис. 3. Зависимость времени заряда аккумулятора емкостью 60…80 кВт∙ч от мощности зарядной станции

Увеличение мощности зарядных станций позволяет сократить время «заправки» электромобилей и увеличить популярность электротранспорта. Для владельцев заправочных станций увеличение мощности зарядного оборудования автоматически означает увеличение количества клиентов, которое может обслужить за сутки одна точка, и, соответственно, увеличение оборота и прибыли. И, конечно же, увеличение скорости заряда выгодно производителям электромобилей, поэтому неудивительно, что большинство из них вкладывают значительные средства в разработку и поддержку технологий быстрой зарядки (рисунок 4).

Рис. 4. Мощность зарядных станций для различных видов электротранспорта

Рис. 4. Мощность зарядных станций для различных видов электротранспорта

Типы зарядных станций

В общем случае существует два типа зарядных станций: бортовые и внешние. Бортовые зарядные системы (On-Board Charging Systems) обычно являются частью электромобиля и позволяют подключать его к электросети через стандартные электрические розетки (рисунок 5). Бортовое зарядное устройство может быть одно- и двунаправленным. В последнем случае функциональность электромобиля расширяется, поскольку накопленную электроэнергию теперь можно использовать не только для собственных нужд, но и для других целей, например, для «заправки» другого электромобиля или для электроснабжения кемпинга.

Рис. 5. Бортовая зарядная система

Рис. 5. Бортовая зарядная система

Бортовые зарядные станции обычно рассчитаны на подключение к сети переменного тока. В комплект большинства электромобилей, как правило, входит адаптер, позволяющий подключить его к однофазной бытовой розетке с током до 16 A (уровень 1) (таблица 1). Формирование зарядного тока аккумулятора при этом обеспечивается штатным преобразователем, находящемся в электромобиле. При напряжении сети 230 В максимальная мощность такого решения обычно не превышает 3,3 кВт, что приводит к увеличению времени полного заряда до 10…20 часов. Из-за длительного времени заряда практическое использование такого способа заряда, как правило,  ограничивается лишь частичной подзарядкой в ситуациях, когда поблизости нет более мощных источников электроэнергии.

Таблица 1. Типы зарядных станций

Тип зарядной станции Интерфейс заряда Применение Зарядное устройство Примечание
Адаптер для подключения к сети (уровень 1)
AC cordset (Level 1)
Однофазный переменный ток  120…240 В
13…16 А
Домашние зарядные станции Бортовое (OBCM) Идет в комплекте с электромобилем
Зарядное устройство переменного тока (уровень 2)
AC charger (Level 2)
АС 120…240 В
АС 32…40 А
Домашние и промышленные зарядные станции Бортовое (OBCM)
Адаптер постоянного тока
DC cordset
2,2…3,3 кВт Домашние зарядные станции До 3,3 кВт Обеспечивает только медленную зарядку
Настенная панель постоянного тока
DC Wall box
20…25 кВт Домашние и коммерческие зарядные станции Одно и трехфазные модули мощностью  около 11 кВт Может поддерживать V2X и двунаправленную зарядку
Станции быстрой зарядки (уровень 3)
DC fast charger (Level 3)
50…125 кВт Общественные здания Трехфазные модули
10…15 кВт
Комплексное решение
Зарядные станции большой мощности
(High power charger)
150…350 кВт Заправочные станции на автомагистралях Трехфазные модули
20…30 кВт
Модуль преобразователя + распределительное устройство
Стации для экстремально быстрой зарядки
(Extreme fast Charger)
500…1000 кВт Автопарки, зарядные станции грузовиков 60/120 кВт модули Контейнерное исполнение

При наличии в здании соответствующей электропроводки электромобиль можно подключить к трехфазной электрической сети с максимальным током каждой фазы до 40 А (уровень 2). В этом случае мощность заряда аккумулятора увеличивается до 24…28 кВт, что позволяет полностью зарядить его в течение нескольких часов. Преобразование электрической энергии и формирование зарядного тока в этом случае также осуществляется штатным преобразователем электромобиля. Такие точки заряда могут устанавливаться, например, на домашних или производственных парковках, где есть возможность оставить электромобиль на несколько часов.

Небольшой объем доступного пространства, сложности с отводом выделяемого тепла и другие технические проблемы, как правило, ограничивают мощность бортовых зарядных преобразователей на уровне около 30 кВт, поэтому дальнейшее увеличение скорости заряда возможно только при использовании внешних зарядных станций постоянного тока (Off-Board Charging Systems). При использовании такого подхода узлы, выполняющие преобразование переменного тока в постоянный, обычно устанавливаются стационарно, а аккумуляторная батарея электромобиля подключается к ним напрямую с помощью соответствующих кабелей (рисунок 6).

Рис. 6. Внешняя зарядная система

Рис. 6. Внешняя зарядная система

В простейшем случае зарядку постоянным током можно осуществить и с помощью портативного зарядного устройства, подключаемого к однофазной сети переменного тока. Однако максимальная мощность такого решения не превышает 3,3 кВт, что обеспечивает только медленную зарядку, и мало чем отличается от использования бортовых преобразователей.

Для быстрой зарядки электромобилей необходимы более мощные решения, поэтому на заправках, общественных парковках и в автопарках используются зарядные устройства, мощность которых может достигать 1 МВт. Очевидно, что для использования столь мощного оборудования необходима соответствующая инфраструктура, а сами преобразователи могут выпускаться в виде готовых контейнеров (кабинетов), рассчитанных на использование в уличных условиях.

На сегодняшний день зарядные устройства для электротранспорта выпускаются многими ведущими производителями силовой электроники. В целом их можно разделить по уровню мощности на станции для обычной (до 30 кВт) и быстрой (30…100 кВт) зарядки. Для ускоренного заряда аккумуляторов легковых автомобилей, а также «заправки» грузовиков, тягачей, электробусов и другого мощного электротранспорта необходимы мощные (100…400 кВт) и ультрамощные (свыше 400 кВт) зарядные системы.

Принципы построения зарядных станций

С точки зрения электротехники зарядная станция для электротранспорта ничем не отличается от обычного выпрямительного устройства и должна обеспечивать три ключевые функции:

  • преобразование переменного напряжения питающей сети в постоянное;
  • преобразование уровня напряжения питающей сети;
  • обеспечение электрической изоляции питающей сети от бортовой сети электромобиля (гальваническую развязку).

Классическая система электроснабжения большинства зданий («последняя миля» передачи электрической энергии) состоит из трехфазной электрической проводки с напряжением 230/400 В, подключаемой к трансформатору, понижающему напряжение местной распределительной сети (обычно 10…12 кВ) (рисунок 7). Вторичные обмотки трансформатора, как правило, соединяются по схеме «звезда» с заземленной нейтралью, поэтому электрическая изоляция на зарядных станциях должна обязательно присутствовать во избежание поражения электрическим током.

Рис. 7. Типовая система электроснабжения зданий

Рис. 7. Типовая система электроснабжения зданий

Из всех существующих электротехнических устройств максимально эффективно передать электрическую энергию из одной цепи в другую без использования электрической связи можно только с помощью трансформатора. Трансформатор также позволяет преобразовать параметры напряжения, то есть обеспечить одновременно две из трех функций зарядного устройства.

Однако габариты трансформатора обратно пропорциональны частоте его рабочего напряжения, поэтому если преобразовывать напряжение с частотой промышленной сети (50 Гц), то он будет иметь значительные размеры, массу и стоимость, что неприемлемо в большинстве случаев. Единственным выходом из этой ситуации является повышение рабочей частоты трансформатора, которая в современных выпрямительных устройствах обычно превышает 20 кГц. В этом случае структурная схема зарядного устройства состоит из четырех ключевых узлов (рисунок 8):

  • входного выпрямителя (AC/DC), преобразующего трехфазное переменное напряжение в постоянное;
  • инвертора (DC/AC), преобразующего постоянное напряжение в переменное с частотой свыше 20 кГц;
  • трансформатора, обеспечивающего электрическую изоляцию и преобразование уровня входного напряжения;
  • выходного выпрямителя, преобразующего переменное напряжение вторичной обмотки трансформатора в постоянное.

Рис. 8. Структурная схема зарядного устройства для электромобилей

Рис. 8. Структурная схема зарядного устройства для электромобилей

Поскольку импульсные методы преобразования отличаются высокими скоростями изменения напряжений и токов, то для минимизации уровня эмиссии высокочастотных токов в электрическую сеть на входе выпрямителя устанавливается фильтр электромагнитных помех.

Входной выпрямитель чаще всего работает на емкостную нагрузку, что приводит к искажениям формы входных токов. Если не принимать никаких мер, то коэффициент нелинейных искажений (Total Harmonic Distortion, THD) этого узла окажется высоким, а коэффициент мощности (Power Factor, PF) – низким. Поэтому все входные выпрямители, для обеспечения соответствия существующим стандартам, должны иметь в своем составе корректор коэффициента мощности (Power Factor Corrector, PFC).

Особенностью такой схемы построения является ее масштабируемость, позволяющая использовать модульный подход. Поскольку напряжение на выходе входного выпрямителя является постоянным, а в системах постоянного тока, как известно, технически достаточно просто обеспечить параллельную работу многих устройств, то зарядное устройство можно разделить на два независимых модуля (каскада) (рисунок 9). Первый каскад (AC/DC) выполняет преобразование переменного напряжения в постоянное с обеспечением требуемых уровней электромагнитных помех и коэффициента мощности, а второй каскад (Isolated DC/DC) – преобразование величины постоянного напряжения и гальваническую развязку.

Рис. 9. Двухкаскадное зарядное устройство для электромобилей

Рис. 9. Двухкаскадное зарядное устройство для электромобилей

Напряжение на выходе выпрямителя определяется напряжением питающей сети. Для трехфазных сетей 240/400 В оно, с учетом повышения напряжения корректором коэффициента мощности, находится в диапазоне 750…800 В и, общем случае, не может изменяться в широких пределах. Поэтому практически все преобразователи постоянного напряжения рассчитываются на работу с таким входным напряжением.

Это открывает широкие возможности для модификации и масштабирования системы, ведь тип модуля выпрямителя теперь не зависит от типа модуля преобразователя постоянного напряжения. То есть к выходу одного и того же выпрямителя можно подключать модули преобразователей напряжения с разными выходными напряжениями, а увеличение мощности теперь можно обеспечить набором необходимого количества параллельно соединяемых модулей, причем как модулей выпрямителей, так и модулей преобразователей постоянного напряжения.

Особенности схемотехники выпрямительных модулей

Наиболее эффективной схемой, позволяющей преобразовать трехфазное переменное напряжение в постоянное, является трехфазная мостовая схема, работающая на емкостный сглаживающий фильтр. В общем случае для ее реализации необходимо шесть полупроводниковых вентилей – по два на каждую фазу (рисунок 10). При использовании в качестве вентилей обычных полупроводниковых диодов возникают значительные искажения входного тока, поэтому последовательно с проводом каждой фазы включают высокочастотный дроссель, а сами диоды шунтируются управляемыми ключами, коммутируемыми с высокой частотой по алгоритмам, формирующим входной ток синусоидальной формы.

Рис. 10. Схемы выпрямительных модулей на основе кремниевых IGBT (слева) и карбид-кремниевых MOSFET (справа)

Рис. 10. Схемы выпрямительных модулей на основе кремниевых IGBT (слева) и карбид-кремниевых MOSFET (справа)

Использование в качестве вентилей управляемых ключей позволяет сделать схему двунаправленной, и она теперь может работать как в качестве выпрямителя, передающего энергию из сети в выходной конденсатор (и нагрузку), так и в качестве инвертора, передающего энергию из выходного конденсатора в сеть.

До недавнего времени в качестве силовых полупроводниковых компонентов в данной схеме можно было использовать только кремниевые полупроводниковые приборы. При этом возникал ряд проблем, длительное время сдерживающих развитие этого направления преобразовательной техники. Для нормальной работы этой схемы на высокой частоте необходимо, чтобы каждый ключ обеспечивал двухстороннюю проводимость, то есть, пропускал ток в обоих направлениях. Лучше всего для этой цели подходят полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET), у которых проводящий канал в открытом состоянии способен пропускать ток в обоих направлениях. Однако характеристики высоковольтных кремниевых MOSFET из-за малой ширины запрещенной зоны кремния не позволяли данным схемам достичь приемлемых значений КПД. В свое время это даже стало причиной появления отдельного класса полупроводниковых приборов – биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT), длительное время являвшихся фактически единственными полупроводниковыми приборами, на которых можно было реализовать высоковольтные выпрямители и инверторы.

Однако IGBT обладают рядом принципиальных недостатков, устранить которые пока еще не удалось. Они имеют высокий уровень статических и динамических потерь, поэтому максимальная частота коммутации этих приборов в схемах с жестким переключением (а именно в таком режиме работают большинство корректоров коэффициента мощности) обычно не превышает 30 кГц, а для мощных IGBT-модулей она еще ниже. Кроме того, IGBT, как и все биполярные транзисторы, обладают односторонней проводимостью, поэтому они должны быть обязательно зашунтированы диодами, через которые протекает ток в направлении, обратном проводимости IGBT. Поскольку высоковольтные кремниевые диоды имеют большое падение напряжения и значительное время восстановления, то это тоже является причиной уменьшения КПД.

Карбид-кремниевые полевые транзисторы лишены подобных недостатков, поэтому неудивительно, что простая замена кремниевых IGBT на карбид-кремниевые MOSFET позволила ощутимо улучшить все ключевые характеристики выпрямительных модулей. Сравнительный анализ двух 30-киловаттных выпрямительных модулей (таблица 2) показывает, что использование карбид-кремниевых MOSFET вместо кремниевых IGBT позволяет уменьшить потери почти на 36%, а объем модуля – практически в два раза. При этом, несмотря на высокую стоимость карбид-кремниевых приборов, общая стоимость выпрямительного модуля, благодаря повышению частоты и, соответственно, использованию более дешевых дросселей, а также упрощению системы охлаждения, осталась практически на том же уровне.

Таблица 2. Сравнительный анализ двух выпрямительных модулей, реализованных на различной элементной базе

Технология Si IGBT SiC MOSFET
Полупроводниковые приборы IGW60T120FKS (12 шт) C3M00400120K (12 шт)
Рабочая частота 25 кГц 60 кГц
Относительная стоимость Транзисторы – 32%
Дроссели – 40%
Драйверы – 9%
Система охлаждения – 19%
Транзисторы – 62%
Дроссели – 19%
Драйверы – 9%
Система охлаждения – 10%
Удельная мощность 3,5 кВт/дм3 6 кВт/дм3
КПД 97,2% 98,2%

Столь большая разница между двумя вариантами построения выпрямителей связана, в первую очередь, с лучшими характеристиками карбид-кремниевых MOSFET.  Падение напряжения на открытом канале MOSFET линейно зависит от величины тока, в то время как падение напряжения между коллектором и эмиттером IGBT достигает значительных величин уже при малых токах (рисунок 11). Из-за этого статические потери MOSFET становятся соизмеримыми со статическими потерями IGBT лишь при номинальной нагрузке. При меньших токах потери проводимости MOSFET значительно меньше.

Рис.11. Сравнение уровня статических и динамических потерь кремниевых IGBT и карбид-кремниевых MOSFET

Рис. 11. Сравнение уровня статических и динамических потерь кремниевых IGBT (а) и карбид-кремниевых MOSFET (б)

Но наибольшая разница между двумя типами полупроводниковых приборов наблюдается при их коммутации. Большая ширина запрещенной зоны карбида кремния позволяет уменьшить геометрические размеры MOSFET по сравнению с кремниевыми IGBT, что приводит к уменьшению паразитной выходной емкости. Полевые транзисторы также не имеют токовых хвостов, присущих IGBT. Все это приводит к тому, что скорость переключения карбид-кремниевых MOSFET намного превышает скорость переключения IGBT, а разница в уровне динамических потерь этих приборов может отличаться на порядок.

Высокая скорость переключения карбид-кремниевых MOSFET приводит к необходимости пересмотра требований к цепям управления этими полупроводниковыми приборами. Наличие дополнительной паразитной индуктивности вывода цепи истока ограничивает скорость нарастания тока в цепи затвора, что приводит к увеличению времени коммутации (рисунок 12). Поэтому транзисторы в корпусах с отдельным выводом для подключения драйвера, соединенного с кристаллом в точке Кельвина, обладают лучшими динамическими характеристиками по сравнению с транзисторами в обычных корпусах с выводом истока, общим для силовой и управляющей цепей.

Рис. 12. Влияние типа корпуса на скорость переключения карбид-кремниевых MOSFET

Рис. 12. Влияние типа корпуса на скорость переключения карбид-кремниевых MOSFET

Таким образом, использование карбид-кремниевых MOSFET позволяет значительно улучшить практически все основные характеристики выпрямительных устройств для зарядных систем электромобилей. А если учесть, что уменьшение потерь при преобразовании приведет к уменьшению счетов на электроэнергию, то переход на новые полупроводниковые приборы оказывается выгодным еще и в долгосрочной экономической перспективе.

Платформа XM3

Как видно из предыдущего материала, даже простая замена кремниевых IGBT на карбид-кремниевые MOSFET позволяет ощутимо улучшить все характеристики преобразователей. Однако максимальный эффект от использования новой технологии требует комплексного пересмотра подходов к проектированию преобразователей на карбид-кремниевой основе.

Одним из примеров реализации такого подхода являются модули семейства XM3 (рисунок 13), разработанные компанией Wolfspeed специально для карбид-кремниевых полупроводниковых приборов. Несмотря на то, что силовые модули существовали задолго до появления карбид-кремниевых транзисторов, и технология их изготовления уже хорошо отработана, установка карбид-кремниевых MOSFET в модули, используемые для производства кремниевых IGBT, не позволяет в полной мере использовать все преимущества новых полупроводниковых приборов.

Рис. 13. Внешний вид модулей XM3

Рис. 13. Внешний вид модулей XM3

В первую очередь для обеспечения высоких скоростей коммутации необходимо минимизировать все паразитные индуктивности. Это является ключевым преимуществом корпусов XM3. Использование планарной структуры внутренних соединений с перекрытием позволило уменьшить паразитную индуктивность силовых шин до 6,7 нГн, что намного меньше, чем у большинства существующих IGBT-модулей. Кроме этого, особая конструкция силовых проводников внутри модуля позволяет равномерно распределить нагрузку между кристаллами и величину активного сопротивления в силовой цепи. Уменьшению паразитных параметров также способствует специализированная конструкция модуля, максимально упрощающая подключение фильтрующих конденсаторов и силовых шин (рисунок 14).

Рис.14. Конструкция силовой части трехфазного инвертора/выпрямителя на основе модулей XM3

Рис. 14. Конструкция силовой части трехфазного инвертора/выпрямителя на основе модулей XM3

Несмотря на компактные размеры – всего 80x53x19 мм – корпус XM3 имеет малое тепловое сопротивление, чего удалось достичь благодаря толстой медной основе и изоляции на базе нитрида кремния, обеспечивающим хороший тепловой контакт и надежную фиксацию транзисторов даже при большом количестве циклов «нагрев-охлаждение». Это позволило увеличить  рабочую температуру кристаллов до 175°С, хотя для карбида кремния данное значение не является пределом.

Корпус XM3 рассчитан на работу в преобразователях с напряжением до 1700 В и выдерживает ток до 500 А. На момент написания статьи компания Wolfspeed предлагает три силовых модуля в корпусе XM3 (таблица 3). Каждый модуль содержит два 1200-вольтовых карбид-кремниевых MOSFET, соединенных по полумостовой схеме, и терморезистор датчика температуры, расположенный вблизи от транзисторов нижнего плеча. В корпусе модулей предусмотрены также специализированные разъемы для подключения платы драйверов, причем каждый драйвер подключается к истоку управляемого транзистора в точке Кельвина.

Таблица 3.  Характеристики модулей XM3

Модуль Максимальное напряжение, В Максимальный ток, А Сопротивление канала (при 25°С), мОм Максимальная температура кристалла
CAB400M12XM3 1200 400 2,6 175
CAB425M12XM3 1200 425 3,2 175
CAB450M12XM3 1200 450 4 175

Использование специализированных корпусов и карбид-кремниевых транзисторов третьего поколения позволило существенно увеличить рабочую частоту данных модулей. Тем не менее, неидеальность характеристик и наличие динамических потерь все же вынуждает ограничивать максимальное значение рабочего тока при высоких частотах коммутации (рисунок 15).

Рис. 15. Зависимость максимального тока транзисторов в корпусе XM3 от частоты коммутации

Рис. 15. Зависимость максимального тока транзисторов в корпусе XM3 от частоты коммутации

Для поддержки своих продуктов и ускорения выхода на рынок конечных изделий компания Wolfspeed предлагает своим клиентам комплексную поддержку в разработке собственных продуктов. В число аппаратных сред поддержки платформы входит комплект для оценки динамических характеристик полумостовых преобразователей, плата драйверов с возможностью подключения преобразователя сигналов управления, а также три опорных проекта трехфазного инвертора/выпрямителя мощностью от 200 до 300 кВт.

Плата драйвера затвора CGD12HBXMP (рисунок 16) разработана специально для использования с модулями XM3 и имеет размеры и расположение выводов, совместимые с корпусами этих типов. Управление затворами осуществляется напряжениями +15 В/-4 В, что наилучшим образом подходит для карбид-кремниевых MOSFET. На плате интегрированы два изолированных источника питания мощностью 2 Вт, обеспечивающие надежную работу драйверов при частоте переключений транзисторов до 80 кГц. Время включения и выключения транзисторов каждого плеча можно изменять путем установки соответствующих резисторов, расположенных на плате в месте, удобном для их быстрой замены. Драйверы рассчитаны на использование в преобразователях с напряжением силовой шины до 1000 В, они имеют защиту от перегрузки по току, переполюсовки и возникновения сквозных токов в силовой цепи. Для улучшения помехозащищенности управление драйверами осуществляется с помощью дифференциальных сигналов. При необходимости, если контроллер системы поддерживает только синфазное управление, можно приобрести дополнительную плату CGD12HB00D, осуществляющую необходимое согласование уровней сигналов.

Рис. 16. Плата драйвера затвора CGD12HBXMP

Рис. 16. Плата драйвера затвора CGD12HBXMP

Плата оценочного модуля KIT-CRD-CIL12N-XM3 (рисунок 17) предназначена для лабораторных исследований динамических характеристик модулей XM3. Конструкция платы разработана таким образом, чтобы обеспечить максимально удобное подключение измерительной аппаратуры к ключевым точкам исследуемых преобразователей. На плате интегрированы фильтрующие емкости, в том числе и тонкопленочные высокочастотные конденсаторы с малой паразитной индуктивностью. Кроме этого, в состав платы KIT-CRD-CIL12N-XM3 входит прецизионный токовый шунт с BNC-разъемом, с помощью которого можно контролировать форму тока с частотой до 350 МГц.

Рис. 17. Плата оценочного модуля KIT-CRD-CIL12N-XM3

Рис. 17. Плата оценочного модуля KIT-CRD-CIL12N-XM3

Опорные проекты CRDxxxDA12E-XM3 (рисунок 18) являются готовыми к использованию трехфазными инверторами/выпрямителями, содержащими три модуля XM3, три платы драйверов затворов CGD12HBXMP, силовые шины с фильтрующими конденсаторами, радиатор, предназначенный для использования в системах с жидкостным охлаждением, а также плату контроллера с возможностью подключения к шине CAN. Габаритные размеры модуля составляют 279×291×115 мм, что обеспечивает удельную мощность, достигающую 32,25 кВт/л при КПД, превышающем 98%. Ассортимент опорных проектов постоянно обновляется по мере появления новых продуктов. На момент написания статьи компания Wolfspeed предлагает три оценочных модуля инверторов с максимальной мощностью 200, 250 и 300 кВт.

Рис. 18. Опорные проекты KIT-CRD-CIL12N-XM3

Рис. 18. Опорные проекты KIT-CRD-CIL12N-XM3

В число программных инструментов для работы c платформой XM3 входят математические модели транзисторов всех представителей этого семейства (таблица 3), а также трехмерная модель корпуса XM3 в универсальном формате ISO STEP (Standard for the Exchange of Product Data). Математические модели транзисторов предназначены для использования в бесплатном онлайн симуляторе SpeedFit, разработанном на основе веб-платформы PLECS (Piecewise Linear Electrical Circuit Simulation), созданной компанией Plexim. Особенностью SpeedFit является интуитивно понятный интерфейс с возможностью оперативного расчета ключевых характеристик преобразователя: параметров входных и выходных напряжений и токов, величины всех видов потерь, а также температуры кристаллов при заданных условиях охлаждения. Кроме этого, симулятор позволяет моделировать временные диаграммы напряжений и токов силовых транзисторов и диодов (рисунок 19), что позволяет разработчику оперативно оценивать ситуацию и при необходимости вносить коррективы в разрабатываемое устройство в соответствии с требованиями технического задания.

Рис. 19. Пример моделирования трехфазного выпрямителя в симуляторе SpeedFit

Рис. 19. Пример моделирования трехфазного выпрямителя в симуляторе SpeedFit

Заключение

Глобальные экологические проблемы в совокупности с постоянно растущей потребностью в энергии фактически не оставляют человечеству выбора, вынуждая, с одной стороны, преобразовывать все большее количество электричества, а, с другой стороны – рационально использовать каждый джоуль. В ближайшей перспективе это означает неуклонный рост количества транспортных средств на электрической тяге и, как следствие, увеличение числа и мощности зарядных станций.

Очевидно, что повышение КПД и удельной мощности этого вида преобразователей на традиционных кремниевых полупроводниковых приборах сопряжено с рядом технических проблем, решить которые можно только путем перехода на новую элементную базу на основе карбида кремния. Поэтому очень важно, что компания Wolfspeed, имея более чем 30-летний опыт по созданию карбид-кремниевых приборов, предлагает своим клиентам не просто новые транзисторы и диоды, а полностью вертикально интегрированную технологию производства оборудования нового типа. И, конечно же, важным преимуществом этой компании является комплексная поддержка разработчиков на всех уровнях, начиная от математических моделей полупроводниковых компонентов и заканчивая оценочными модулями, полностью готовыми для тестового использования.

•••

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
CAB011M12FM3 (CREE PWR)
CAB016M12FM3 (CREE PWR)
CAB400M12XM3 (CREE PWR)
CAB425M12XM3 (CREE PWR)
CAB450M12XM3 (CREE PWR)
CAS120M12BM2 (CREE PWR)
CAS300M17BM2 (CREE PWR)
CAS300M12BM2 (CREE PWR)