Эффективные решения на базе SiC: новые возможности для российской электроники

22 июля

Владислав Долгов (КОМПЭЛ)

Применение карбид-кремниевых компонентов позволяет повысить КПД, сократить габариты и увеличить надежность силовых устройств. Китайские компании предлагают SiC-компоненты, сопоставимые по характеристикам с международными аналогами.

Современная силовая электроника в России сталкивается с рядом серьезных задач: растут требования к эффективности, компактности и надежности оборудования. При этом актуальные направления, такие как промышленная автоматизация, телекоммуникационная инфраструктура, дата-центры и электротранспорт, выходят на новый виток развития. В этих условиях компоненты на базе карбида кремния (SiC) становятся не просто альтернативой традиционным кремниевым решениям, а ключевым инструментом в достижении инженерных целей.

Области применения SiC в России

Промышленные источники питания, включая ИП для электроприводов и ИБП, играют критически важную роль в обеспечении бесперебойной работы производственных и инфраструктурных объектов. В условиях роста стоимости электроэнергии и ограниченного пространства для установки возрастает спрос на энергоэффективные и компактные решения.

Источники питания для серверного и телекоммуникационного оборудования являются фундаментальной основой любой современной IT-инфраструктуры. С повышением плотности размещения оборудования и увеличением требований к бесперебойной работе в режиме 24/7 возрастает необходимость в максимальной надежности и энергоэффективности таких систем. Особенно важно минимизировать тепловые потери, так как они напрямую влияют на стоимость охлаждения и общие эксплуатационные расходы дата-центров и телекоммуникационных узлов. В телекоммуникационном оборудовании, где стабильность сигнала и непрерывность связи критичны, качество источников питания становится ключевым фактором обеспечения высокой доступности сервисов.

Источники питания для светодиодного освещения, включая драйверы для уличного, тепличного и промышленного применения, требуют высокой стабильности выходного тока, низких пульсаций и устойчивости к перегреву. В условиях круглосуточной эксплуатации и переменных климатических факторов особенно важно обеспечить надежность и долговечность оборудования. Рост популярности LED-технологий в России стимулирует спрос на энергоэффективные и компактные решения, которые позволяют экономить пространство при установке и упрощают интеграцию в различные конструкции.

Бортовые преобразователи играют ключевую роль в системах электротранспорта, таких как, электровозы, городской электротранспорт и специализированная техника. Они работают в условиях ограниченного пространства, постоянной вибрации и значительных температурных нагрузок, что предъявляет высокие требования к надежности и долговечности компонентов. Кроме того, необходимость снижения массы и габаритов оборудования делает выбор элементной базы особенно критичным для обеспечения оптимальной производительности.

Параллельно с этим, зарядные станции для электротранспорта, особенно станции быстрой зарядки, становятся важной частью современной инфраструктуры. Рост числа электромобилей стимулирует развитие мощных и компактных зарядных устройств, способных значительно сокращать время зарядки без увеличения размеров и веса оборудования. При этом эффективное управление тепловыми процессами и минимизация затрат на охлаждение остаются одними из главных задач разработчиков.

Современные решения для преобразователей в транспортной сфере требуют сочетания высокой энергоэффективности, устойчивости к экстремальным условиям эксплуатации и компактности.

SiC как способ решения актуальных задач

Во всех этих применениях на первый план выходят задачи, в которых традиционные кремниевые решения уже достигли потолка возможностей. Компоненты на базе карбида кремния позволяют по-новому взглянуть на архитектуру устройств. Это обусловлено их превосходными физическими свойствами, такими как ширина запрещенной зоны, теплопроводность, напряжение пробоя и стабильность параметров при высоких температурах. Это делает SiC идеальным материалом для современной силовой электроники, что особенно наглядно видно при сравнении с кремнием (рисунок 1).

Рис. 1. Сравнение параметров Si- и SiC-компонентов

SiC-транзисторы обладают существенно меньшими статическими и динамическими потерями. За счет высокой электрической прочности материала можно проектировать ключи с меньшими габаритами кристалла, что напрямую снижает паразитные емкости, ускоряет переключение и уменьшает R_ds(on). Таким образом достигается большой КПД даже при работе на высоких частотах.

Хорошая скорость переключения позволяет проектировать преобразователи с частотами работы в сотни килогерц и даже мегагерцы. Это позволяет радикально сократить размеры дросселей, трансформаторов и фильтров, а также применить меньшие по габаритам системы охлаждения. Это особенно это актуально для компактных драйверов в освещении, а также для транспорта и модульных систем источников питания (рисунок 2).

Рис. 2. Сравнение устройств на базе кремния и карбида кремния

SiC-компоненты сохраняют стабильные характеристики даже при высоких температурах (до 175…200°C). Например, сопротивление канала R_ds(on) у MOSFET на базе SiC растет с повышением температуры гораздо медленнее, чем у кремниевых аналогов. Это упрощает проектирование охлаждения и повышает надежность в тяжелых условиях эксплуатации в транспорте, уличных системах и телекоме.

Технические ограничения и пути их преодоления

Высокая скорость переключения – это не только преимущество, но и источник новых инженерных задач. Резкие фронты напряжения и тока, характерные для SiC, создают электромагнитные помехи. Согласно принципам спектрального анализа, чем ближе форма сигнала к меандру, тем шире спектр его составляющих, и, как следствие, выше уровень радиочастотных помех (рисунок 3). Это усложняет выполнение норм по электромагнитной совместимости (EMC), особенно в чувствительных применениях.

Рис. 3. Формирование меандра суммой гармоник ряда Фурье, где n – количество гармоник

Кроме того, SiC-транзисторы предъявляют высокие требования к драйверам управления. Требуется быстрое и точное формирование импульсов, контроль скорости нарастания напряжения и тока (dv/dt и di/dt), защита от паразитного включения. Такие драйверы уже присутствуют на рынке как в составе готовых модулей, так и в виде дискретных решений. Подобрать драйверы, совместимые с SiC, можно в том числе и в каталоге КОМПЭЛ на странице Драйверы FET-IGBT.

Решения задач ЭМС и управления SiC-транзисторами требуют более глубокой инженерной проработки, но не ставят непреодолимых барьеров.

Карбид кремния – это фундамент технологического скачка в силовой электронике. Он позволяет одновременно улучшить КПД, уменьшить габариты и повысить надежность различных силовых устройств: от серверов и зарядных станций уже сейчас, до тяговых преобразователей в ближайшем будущем.

Важно отметить, что китайские производители SiC-компонентов сегодня предлагают изделия, сравнимые по параметрам с продукцией мировых брендов и имеющие оптимизированную стоимость. Это подтверждается и в сравнительных обзорах: SiC-диоды Шоттки против быстрых кремниевых [1], SiC MOSFET и традиционные IGBT [2].

В каталоге КОМПЭЛ вы найдете широкий выбор SiC-дискретов: как диодов, так и транзисторов, уже доступных со склада [3]. Также мы предлагаем техническую поддержку и консультации для подбора надежных компонентов для любых задач. Технология SiC открывает перспективы для повышения эффективности электронных устройств.

Дополнительные материалы

1. Нулевые потери или высокая устойчивость: SiC Шоттки против традиционных быстрых диодов
2. SiC MOSFET против традиционных IGBT: возможности и перспективы
3. SiC-компоненты от ведущих китайских производителей