Dziś jest piątek, 15 grudzień 2017 r.
Energoelektronika.pl na stronach Facebook REKLAMA MAPA SERWISU KONTAKT
Strona główna Załóż konto Artykuły branżowe Katalog firm Seminaria FAQ Kalendarium Słownik Oferta
Wyszukaj
1USD 3.5716 -0.46% 1EUR 4.2216 +0.14% 1GBP 4.806 +0.34%
Zaloguj się
Login (adres e-mail):
Haslo:
  Rejestracja
  Zapomniałem hasła
Reklama

Reklama

Aktualności
XVIII edycja Ogólnopolskiego Kongresu Energetyczno-Ciepłowniczego POWERPOL
więcej
COPA-DATA ma nowego dystrybutora w Japonii
więcej
Schneider Electric na COP23
więcej
Rozdzielnica Smart Panel nowym produktem w grupie inteligentnych rozwiązań EcoStruxure Power
więcej

Zobacz archiwum

Kalendarium
Newsletter
Jeżeli chcesz otrzymywać aktualne informacje o wydarzeniach w branży.
Podaj e-mail do subskrypcji:


Artykuły branżowe
21 listopad 2017.

Moduły mocy z węglika krzemu dla szerokiego zakresu aplikacji

Moduły mocy z węglika krzemu dla szerokiego zakresu aplikacji

Etapy rozwoju modułów SiC firmy Mitsubishi

Choć współczesne moduły mocy SiC firmy Mitsubishi należą do pierwszej fazy komercjalizacji technologii SiC rozpoczętej po roku 2010, rozwój technologii SiC rozpoczął się dużo wcześniej, bo ponad 20 lat temu.


Rys. 1: Zakres modułów mocy SiC firmy Mitsubishi

W pierwszej dekadzie tego procesu, w latach 1994-2004 działania badawcze skoncentrowane były wokół technologii wykonania samej struktury półprzewodnikowej - zarówno w przypadku tranzystorów MOSFET jak i diod Schottky. Następnie, w latach 2005-2009 skupiono się na korzyściach ze stosowania modułów SiC w przekształtnikach energoelektronicznych. W celach badawczych zaprojektowano i wykonano szereg falowników opartych o półprzewodniki SiC i przeprowadzono testy w różnych aplikacjach. Kolejnym krokiem była faza komercjalizacji technologii SiC rozpoczęta w latach 2010 - 2014. Wprowadzono wtedy na rynek szereg pełnych i hybrydowych modułów SiC. Pojawiły się także (głównie na rynku japońskim) pierwsze komercyjne przekształtniki energoelektroniczne oparte o moduły z węglika krzemu. Jednocześnie technologia tranzystorów MOSFET SiC przechodziła ciągłe udoskonalenia.

Szczególnie po roku 2015 moduły SiC zaczęły pojawiać się w wielu nowych aplikacjach. Proces ich ekspansji wciąż trwa, a ostatnio nawet przyśpiesza. Dostępne dzisiaj moduły SiC firmy Mitsubishi obejmują szeroki zakres prądów i napięć pracy.

Artykuł przybliża potencjał technologii SiC w urządzeniach energoelektronicznych odnosząc się głównie do trzech przykładów modułów SiC wybranych spośród dostępnego wachlarza produktów:
15A/600V moduł Full SiC DIPIPM typu PSF15S92F6
800A/1200V podwójny moduł full SiC typu FMF800DX2-24A
750A/3.3kV podwójny moduł full SiC typu FMF750DC-66A

Moduł Full SiC DIPIPM typu PSF15S92F6 15A/600V

Ten moduł super mini DIPIPM w pełni wykonany z węglika krzemu został wprowadzony na rynek w październiku 2016 jako sterownik mocy w klimatyzatorach z rodziny Kirigamine.

Wysoka wydajność energetyczna jest kluczowym wymaganiem w stosunku do systemów klimatyzacyjnych. Moduł PSF15S92F6 zaprojektowany został do użytku w domowych urządzeniach takich jak pralki, lodówki czy właśnie klimatyzatory.


Rys. 2: Topologia modułu PSF15S92F6

W module zintegrowano trójfazowy falownik oparty o tranzystory SiC MOSFET oraz ich układy sterujące. W porównaniu do standardowego, krzemowego modułu, nowy moduł full SiC charakteryzuje się o 70% mniejszymi stratami mocy w takich samych warunkach pracy. Dzięki użyciu modułu PSF 15S92F6 klimatyzatory serii Kiringamine osiągnęły niespotykaną dotąd sprawność energetyczną. Kolejną korzyścią ze stosowania modułu Full SiC IPM jest zmniejszenie zakłóceń dzięki płynnej charakterystyce odzyskiwania zdolności zaporowych diody wewnętrznej tranzystora MOSFET. Pozwala to zmniejszyć wymagania dotyczące filtrów EMI.

Podwójny moduł full SiC typu FMF800DX2-24A 800A/1200V

Jest to wersja rozwojowa wprowadzonego wcześniej modułu MOSFET FMF800DX-24A. Posiada on tą samą zaawansowaną strukturę półprzewodnikową z węglika krzemu, jednak cechuje się zminimalizowanymi indukcyjnościami wewnętrznymi uzyskanymi dzięki nowej obudowie.


Rys. 3 Moduł FMF800DX2-24A

Indukcyjności wewnętrzne wynoszą w tym przypadku mniej niż 10nH. Napięcie izolacji jest równe 4kV AC. Wewnątrz modułu zintegrowano układy zabezpieczające zarówno dla strony P jak i N. Układy te współpracują ze zintegrowanymi w strukturze przetwornikami prądowymi w celu wykrywania prądów zwarciowych. Prądy te ograniczane są poprzez szybkie wyłączanie napięcia bramki.


Rys. 4: Porównanie strat mocy w module Si oraz SiC

W porównaniu z modułem krzemowym w takich samych warunkach pracy, 70% redukcja strat mocy staje się oczywistą przewagą. Istnieją dwie możliwości jej wykorzystania:

  1. Jeśli zachowamy standardową częstotliwość przełączania jak dla modułów IGBT, straty mocy w inwerterze zostaną znacząco zmniejszone. Wzrośnie jego sprawność oraz pojawi się możliwość zmniejszenia obudowy z uwagi na mniejsze wymagania dotyczące chłodzenia. To rozwiązanie sprawdzi się w aplikacjach gdzie oczekiwana jest wysoka gęstość mocy. Szczególnie tam, gdzie liczy się oszczędność miejsca.
  2. Pozostawienie strat mocy na takim poziomie jak w przypadku modułu IGBT (a co za tym idzie rozmiarów obudowy i chłodzenia) pozwala na 3-5 krotne zwiększenie częstotliwości przełączania. Pozwoli to na zmniejszenie rozmiarów komponentów indukcyjnych. Jest to duża oszczędność kosztów w przypadku aplikacji gdzie komponenty te są dużych rozmiarów.

Podwójny moduł full SiC typu FMF750DC-66A 750A/3300V

W lipcu 2015 Mitsubishi przetestowało pierwszy kolejowy układ napędowy oparty o moduły z węglika krzemu na 1500A/3300V. Został on zamontowany w japońskim pociągu wysokiej prędkości Shinkansen. Korzyści z zastosowania nowej technologii w tej aplikacji to 55% zmniejszenie rozmiarów falownika napędowego oraz 33% redukcja jego wagi.


Rys. 5: Falownik napędowy oparty o moduły SiC zamontowany w pociągu Shinkansen

Tytułowy moduł FMF750DC-66A jest kolejnym krokiem ku wprowadzeniu węglika krzemu w technice kolejowej. Nowy moduł 750A/3300V zawiera tranzystory MOSFET oraz przeciw równolegle połączone diody Schottky - całość w technologii SiC. W celu zmniejszenia indukcyjności wewnętrznych (<10nH) oraz poprawienia rozpływu prądów pomiędzy równolegle połączonymi chipami wewnątrz modułu, zaadaptowano nową obudowę LV100.


Rys. 6: Moduł FMF750DC-66A w obudowie LV100

W porównaniu z podobnym modułem krzemowym udało się znacznie obniżyć straty na przełączaniu. Parametr Eon zmniejszono o 61%, zaś Eoff o 95%. Korzyści z takiej poprawy oraz sposoby ich wykorzystania omówiono w poprzednim rozdziale.


Rys. 7: Porównanie strat na przełączeniu modułu Si i SiC

W wyniku przeprowadzonych testów wysokonapięciowych potwierdzono zgodność nowego modułu z wymaganiami kolejowymi. Jego parametry są odpowiednie do użytku w pojazdach trakcyjnych, zaś całkowita redukcja strat o 30% w falowniku napędowym zbudowanym z użyciem nowej technologii wprowadza wymierne korzyści finansowe.

Działania R&D w celu ekspansji technologii SiC

Oprócz działań mających na celu rozpowszechnienie istniejących modułów SiC, działy R&D skupiają się także na adaptowaniu technologii węglika krzemu do nowych aplikacji.

Obiecującym kierunkiem jest użycie modułów SiC w układach napędowych pojazdów elektrycznych. Dla celów testowych wyprodukowano 300A/1200V tranzystory MOSFET SiC o rozmiarze struktury 10x10mm i niską rezystancją Ron=5,9m?cm2 przy Vg=15V. Do tej pory jest to największa wyprodukowana struktura SiC MOSFET 1200V. Kolejnym przykładem projektu Mitsubishi mającego na celu wprowadzenie technologii SiC w sektorze automotive jest falownik napędowy o największej na dotąd gęstości mocy wynoszącej 86kVA/dm3. W obudowie o wymiarach 275x151x121mm zamknięto falownik o mocy 430kVa.


Rys. 8: Prototyp falownika napędowego SiC o wysokiej gęstości mocy

W dalszym ciągu trwają prace nad zwiększaniem napięć blokowania tranzystorów z węglika krzemu. Obecnie wyprodukowano struktury SiC MOSFET na napięcie 6500V i wymiarach 8,1x8,1mm ze zintegrowaną diodą Schottky'ego. Zintegrowanie diody Schottky'ego w strukturze tranzystora jest nowym rozwiązaniem dającym dwie korzyści. Pierwszą z nich jest znaczne zmniejszenie powierzchni, jaką zajmują struktury wewnątrz modułu. Dzięki temu można osiągnąć większe gęstości mocy. Drugą korzyścią jest możliwość pracy dwukierunkowej bez degradacji struktury. Wewnętrzna dioda tranzystora MOSFET jest odciążana przez diodę Schottky, dzięki czemu nie podnosi się rezystancja wewnętrzna. Testy potwierdziły niezawodność tego rozwiązania w długotrwałej eksploatacji.


Rys. 9: Struktury MOSFET SiC na 6500V ze zintegrowanymi diodami Schottky'ego

Podsumowanie

Mitsubishi jest pionierem rozwoju technologii węglika krzemu w modułach mocy. Już dziś dostępny jest szeroki wachlarz modułów SiC o prądach od 15 do 1200A oraz napięciach od 600 do 3300V. Główną zaletą współczesnych modułów SiC w porównaniu do IGBT jest znaczna redukcja strat na przełączaniu. W zależności od aplikacji przewagę tę można wykorzystać zmniejszając rozmiary urządzenia lub zwiększając częstotliwość przełączania. Obszar zastosowań przekształtników opartych o technologię SiC wciąż się rozszerza. Mitsubishi poprzez swoje działania badawczo - rozwojowe buduje fundament pod nadchodzącą erę półprzewodników mocy z węglika krzemu.

Oryginalna wersja artykułu została zamieszczona w czasopiśmie Bodo's Power Systems.

Źródło: DACPOL Sp. z o.o.
O nas  ::  Regulamin  ::  Polityka prywatności (Cookies)  ::  Reklama  ::  Mapa stron  ::  FAQ  ::  Kontakt
Ciekawe linki: www.klimatyzacja.pl  |  www.strony.energoelektronika.pl  |  www.ethernetprzemyslowy.pl  promienniki podczerwieni 

Krańcówka, krańcówki

Copyright © Energoelektronika.pl