Технические особенности и перспективы применения SiC-модулей вместо IGBT

6 октября

Владислав Долгов (КОМПЭЛ)

Популярность SiC-решений растет благодаря развитию технологий и расширению ассортимента производителей. Эти компоненты находят широкое применение по всему миру в электромобилях, промышленных приводах, источниках бесперебойного питания и альтернативной энергетике.

Карбид кремния (SiC) представляет собой фундамент технологического скачка в современной силовой электронике, открывая новую эру высокоэффективных компактных решений. Превосходные физические свойства материала, включая ширину запрещенной зоны в три раза больше чем у кремния, высокую теплопроводность и стабильность параметров при температурах до 175…200°C, делают SiC-компоненты одним из эффективных инструментов для решения инженерных задач в условиях растущих требований к эффективности и компактности оборудования.

SiC-транзисторы демонстрируют существенно меньшие статические и динамические потери по сравнению с традиционными кремниевыми решениями, что позволяет проектировать ключи с меньшими габаритами кристалла, снижать паразитные емкости и достигать высокого КПД даже при работе на частотах в сотни килогерц и мегагерцы. Высокая скорость переключения обеспечивает существенное уменьшение размеров дросселей, трансформаторов и фильтров, что особенно актуально для компактных драйверов освещения, транспортных применений и модульных источников питания.

Замена Si IGBT на SiC-MOSFET в реальных силовых сборках на практике показывает значительное снижение рассеиваемой мощности, увеличение выходной мощности и повышение КПД на высоких частотах переключения. SiC-решения демонстрируют более высокую производительность по сравнению с традиционными кремниевыми решениями.

Критически важным фактором массового внедрения SiC становится растущая доступность компонентов. Китайские производители сегодня предлагают SiC-компоненты, сопоставимые по параметрам с продукцией мировых брендов, но  меньшей себестоимостью по сравнению с импортными аналогами

С каждым годом SiC-технология становится все более доступной, превращаясь из эксклюзивного решения для специальных применений в стандартный инструмент современного разработчика силовой электроники. Компоненты на базе карбида кремния уже не являются просто альтернативой традиционным кремниевым решениям – они широко применяются в современных силовых устройствах от промышленных источников питания до зарядных станций электротранспорта.

Дискретные SiC MOSFET и диоды Шоттки уже прочно закрепились на рынке силовой электроники, однако следующим этапом развития технологии становятся интегрированные силовые модули на основе карбида кремния.

Гибридные SiC-модули, наследующие классическим IGBT-модулям, сочетают проверенную временем надежность кремниевых IGBT с преимуществами высокоскоростных и эффективных диодов на базе карбида кремния (SiC). Гибридные SiC-модули сочетают в себе преимущества технологий карбида кремния (SiC) и традиционного кремния (Si) и представляют собой промежуточное решение между полностью кремниевыми IGBT-модулями и 100% SiC-модулями. Основная архитектура этих изделий включает быстрые кремниевые IGBT-транзисторы и униполярные SiC-диоды Шоттки, благодаря чему достигается значительное снижение динамических потерь (рисунок 1) и увеличение частоты коммутации при умеренном приросте стоимости

Рис. 1. Сравнение потерь в IGBT, IGBT+SiC и в полных SiC-решениях

В сравнении с классическими IGBT-модулями гибридные SiC-модули обеспечивают снижение потерь при переключении и в проводящем состоянии, что позволяет улучшить КПД системы и повысить плотность мощности примерно на 50%. За счет отсутствия эффекта обратного восстановления у SiC-диодов снижаются динамические потери более чем на 60%, что критично при режиме «жесткой» коммутации. Гибридные модули позволяют удвоить частоту переключения при сохранении тепловых характеристик, что снижает требования к системе охлаждения и уменьшает габариты устройств.

В то же время у гибридных решений есть ограничения по сравнению с полностью карбид-кремниевыми. Эффективность и скорость коммутации SiC MOSFET для гибридных решений недостижима, так как в них все еще остается кремниевый транзистор, ограничивающий верхнюю планку рабочих частот и температурный диапазон. Однако гибриды выгоднее с точки зрения стоимости и совместимости с популярными драйверами и схемами управления, облегчая переход к более высокому КПД при меньших инвестициях. Следствием этого является тот факт, что на каждый проданный в мире полностью SiC-модуль приходится три гибридных модуля.

Большинство производителей SiC-модулей предлагают SiC-сборки в стандартных, привычных для разработчиков корпусах, таких как 62 мм и Econodual. Но для того чтобы раскрыть потенциал SiC-чипов, производители силовых модулей рекомендуют выбирать специализированные корпуса, которые отличаются от традиционных уменьшенной паразитной индуктивностью, более совершенной системой отвода тепла, применением спеченных соединений вместо пайки, усиленной компаундной изоляцией для высокой надежности. Все это позволяет максимально реализовать потенциал SiC-технологии: повысить рабочие частоты, плотность мощности и срок службы устройств по сравнению с традиционными IGBT-модулями. При разработке новых преобразователей с нуля уточняйте у производителя, какой корпус наиболее удачен для той или иной конфигурации (рисунок 2). Это позволит найти компромисс между стоимостью, доступностью и производительностью.

Рис. 2. Примеры корпусов силовых SiC-модулей, позиционируемые производителями как наиболее оптимальные для тепловых и электрических характеристик сборки

Можно заметить, что корпуса современных SiC-модулей проектируются с низкой паразитной индуктивностью, плоской конструкцией и возможностью установки на мощные системы охлаждения, что позволяет существенно повысить плотность мощности и надежность работы в тяжелых условиях.

Следствием таких требований является также особая конструкция DC-link конденсаторов. Они проектируются с учетом заданной геометрии выводов силовых модулей, чтобы обеспечить компактное размещение и минимальный индуктивный путь между модулем и конденсатором.

Из-за этих особенностей часто применяются кастомные решения для конденсаторов DC-link, которые оптимально вписываются в компоновку силовой системы. Например, компания Hongfa предлагает услуги по проектированию специализированных конденсаторов с необходимой формой выводов и параметрами, что упрощает разработку и улучшает эксплуатационные характеристики систем на базе SiC. Ознакомиться с подробным материалом о заказных кастомных конденсаторах вы можете по ссылке. Такой подход позволяет максимально реализовать преимущества SiC-технологии, снижая размер, потери и повышая надежность силовых преобразователей.

Сегодня в мире SiC (карбид кремния) модули находят наибольшую популярность в следующих областях:

Электромобили и гибриды

Инверторы тяговых приводов и бортовые зарядные устройства – самые массовые и быстрорастущие области применения SiC‑модулей. Для них обычно используются модули с напряжением 650…1200 В (до 1700 В в коммерческом транспорте) и токами от 100 до 600 А. Частоты коммутации составляют 10…40 кГц, в передовых решениях – до 50 кГц. Ключевые требования к модулям – устойчивость к КЗ (2…5 мкс), компактность, высокая температурная стойкость.

Зарядные станции электромобилей

В быстрых DC/DC-преобразователях и бортовых зарядных устройствах (6…350 кВт) используются SiC‑модули с номинальным напряжением 650…1200 В и током до 500 А. Частоты переключения – 20…100 кГц, что позволяет уменьшить размеры фильтров. Особое внимание уделяется работе в условиях высоких температур и габаритам.

В последние годы Азия, а особенно Китай, стала ключевым драйвером роста рынка SiC-модулей за счет бурного развития электротранспорта и строительства сопутствующей инфраструктуры.

Массовый выпуск собственных SiC-модулей уже налажен ведущими китайскими автоконцернами, что позволяет не только снизить себестоимость, но и контролировать критически важную технологию на каждом этапе производства. Поддержка правительства, инвестиции в собственные R&D и организованные устойчивые цепочки поставок сырья также обеспечили китайским брендам лидерство: на местном рынке применяются преимущественно китайские SiC-модули, а доля импорта сокращается с каждым годом. Такой тренд значительно ускоряет продвижение современных силовых технологий на внутреннем рынке и способствует экспорту китайских решений на мировой рынок.

Промышленные двигатели и приводы

SiC‑модули находят широкое применение в частотных преобразователях, приводах электродвигателей и инверторах промышленного оборудования. Модули используются с номиналами напряжения 650…1700 В и током до 800 А, они работают на частотах 10…50 кГц, обеспечивая миниатюризацию и высокую эффективность систем.

Солнечная и ветровая энергетика, накопители энергии

В солнечной энергетике и в аккумулирующих системах SiC-модули используются в инверторах мощностью от 10 до 500 кВт, а также в накопителях энергии. Номиналы модулей по напряжению обычно составляют от 650 до 1700 В при токах от 50 до 600 А. Рабочие частоты переключения варьируются от 20 до 50 кГц, что способствует миниатюризации и повышению эффективности систем. Использование SiC позволяет повысить КПД и ресурс работы инверторов и накопителей.

В ветроэнергетике SiC-модули применяются в инверторах и преобразователях мощностью от нескольких сотен киловатт до нескольких мегаватт. Рабочие напряжения варьируются от 1200 до 3300 В с токами в диапазоне десятков и сотен ампер. Частоты коммутации обычно находятся в диапазоне от 5 до 30 кГц, однако благодаря потенциалу SiC в некоторых системах достигаются более высокие значения для оптимизации массы и КПД.

ИБП, дата-центры и серверы

При разработке современных источников питания все чаще применяются SiC-модули с номиналами напряжений 650…1200 В и токами от 50 до 400 А. Рабочие частоты коммутации здесь достигают 20…60 кГц, что повышает плотность мощности и уменьшает габариты пассивных компонентов.

Железнодорожный транспорт

В железнодорожном транспорте SiC-модули применяются в тяговых преобразователях и инверторах для локомотивов и поездов, включая скоростные составы. Номиналы напряжений здесь находятся в диапазоне от 1700 до 3300 В, токи достигают сотен ампер, доходя до 1800 А для тяговых модулей. Рабочие частоты обычно колеблются от 5 до 20 кГц, но в некоторых системах могут доходить до 30…50 кГц. Требования к надежности включают устойчивость к вибрациям, перепадам температур и экстремальным нагрузкам. Также особенно важна устойчивость к току короткого замыкания.

В аварийной ситуации ток КЗ может достигать десятков крат от номинального, и силовой модуль должен выжить до срабатывания защиты. Причинами таких КЗ могут быть, например, замыкание фаз внутри двигателя, ошибки коммутации или отказ силовых ключей. В отличие от IGBT, SiC‑модули строятся на базе чипов с меньшей площадью и толщиной, а значит сталкиваются с большей плотностью тока при меньшей способности рассеивать тепло, что приводит к резкому нагреву при КЗ. Из‑за этого выдерживаемое время до разрушения чипа оказывается в несколько раз короче, чем у кремниевых IGBT-чипов сопоставимой мощности.

Таким образом, текущее поколение SiC‑модулей уступает IGBT по показателю short-circuit withstand time (часто 2…3  мкс в норме против 10 мкс у IGBT), что критично, например, в тяговых инверторах, где значения тока очень высокие, а защита может не успеть сработать. Путь решения этой проблемы лежит в области проектирования кристаллов и усовершенствования схем защиты.

Ключевым фактором является геометрия JFET-области – зоны внутри кристалла, через которую протекает основной ток. Исследования показали, что изменение ширины этой области существенно влияет на прочность чипа при коротком замыкании. График a) на рисунке 3 демонстрирует зависимость тока короткого замыкания от времени для структур с различной шириной JFET-области. Зависимость пикового тока и времени короткого замыкания для планарной (оранжевая линия) и Trench (синяя линия) структур чипа от ширины Wjfet-области показана на графике б) рисунка 3.

Рис. 3. Влияние ширины JFET области на стойкость к току КЗ

Оптимальная конфигурация JFET-структуры позволяет найти компромисс между низким сопротивлением в открытом состоянии и повышенной устойчивостью к критическим перегрузкам. На поведение устройства при КЗ также влияют профиль допирования (распределение концентрации примесей) и толщина оксида в области затвора, поскольку они определяют распределение электрического поля внутри кристалла.

Дополнительным направлением развития стали новые архитектуры транзисторов, например, траншейные структуры с экранирующими слоями P-типа, которые позволяют равномерно распределить плотность тока и минимизировать локальный перегрев (рисунок 4). Такие решения уже продемонстрировали почти двукратное увеличение времени КЗ по сравнению с традиционными SiC MOSFET.

Рис. 4. Сравнение планарной и Trench структуры SiC MOFET

Наконец, важную роль играет система управления и защиты. Быстродействующие схемы отключения, детекторы насыщения и контроль скорости нарастания тока позволяют отключить ключ до наступления необратимых повреждений. В совокупности эти меры создают условия, при которых современные SiC MOSFET способны работать с гораздо большей надежностью, приближаясь по устойчивости к режиму короткого замыкания IGBT.

Силовые модули на базе карбида кремния уже заняли прочные позиции в ряде отраслей, где требования к плотности мощности, эффективности и температурной стойкости особенно высоки. Несмотря на то, что у SiC-модулей все еще сохраняются определенные ограничения, они не только полноценно применяются, но и становятся предпочтительным выбором в электромобилях, промышленных приводах, источниках бесперебойного питания и энергетике. Одновременно с этим на рынке появляется все больше SiC компонентов от китайских производителей, которые являются функциональной альтернативой решениям ведущих мировых производителей.

В каталоге КОМПЭЛ представлены SiC-модули различных производителей. Информация о параметрах и применении доступна на сайте.

Дополнительные материалы

1. Силовые полупроводники SUNCO для различных топологий зарядных станций
2. Эффективные решения на базе SiC: новые возможности для российской электроники
3. SiC-компоненты от ведущих китайских производителей
4. SiC MOSFET против традиционных IGBT: возможности и перспективы
5. Нулевые потери или высокая устойчивость: SiC Шоттки против традиционных быстрых диодов