Zalety i wady SiC
W zastosowaniach takich jak falowniki, napędy silnikowe i ładowarki akumulatorów, węglik krzemu (SiC) oferuje takie zalety, jak większa gęstość mocy, mniejsze wymagania chłodzenia i niższe całkowite koszty systemu.
Chociaż urządzenie SiC kosztuje więcej niż jego silikonowy odpowiednik, korzyści na poziomie systemu, szczególnie przy 1200V, z nawiązką rekompensują wyższe koszty urządzenia. Korzyści w porównaniu z krzemem są marginalne na poziomie 600V lub poniżej. Kostka SiC potrzebuje specjalnie zaprojektowanych opakowań i sterowników bramek, aby czerpać korzyści.
Zalety SiC w stosunku do krzemu
Zazwyczaj energia tracona przez SiC podczas fazy odwróconego odzyskiwania to zaledwie 1% energii traconej przez krzem. Wirtualna nieobecność prądu ogonowego pozwala na szybsze wyłączanie i znacznie niższe straty. Ponieważ mniej energii do rozproszenia, urządzenie SiC może przełączać się na wyższych częstotliwościach i poprawić wydajność.
Wyższa wydajność, mniejsze rozmiary i niższa waga SiC mogą stworzyć rozwiązanie o wyższej wartości lub mniejszą konstrukcję ze zmniejszonym zapotrzebowaniem na chłodzenie.
Wydajność krzemu pogarsza się w wyższych temperaturach, podczas gdy SiC jest znacznie bardziej stabilny. Silikonowe urządzenie jest zazwyczaj przesycone w temperaturze pokojowej w celu zachowania specyfikacji w wyższych temperaturach. Zazwyczaj urządzenie SiC o połowie prądu znamionowego wykona tę samą pracę co krzemowy IGBT, ponieważ SiC jest znacznie bardziej stabilny w wyższych temperaturach i nie wymaga znacznego obniżania wartości znamionowych.
SiC działa powyżej 10 kV, znacznie powyżej tego, co obecnie można wykorzystać. Dostępne są urządzenia SiC o mocy 1200 V i 1,700 V. W przypadku problemów, takich jak wyładowania łukowe, pełzanie i usuwanie, ograniczeniem stało się opakowanie, a nie technologia półprzewodnikowa.
Niższe straty
Głównymi źródłami strat energii w module SiC są straty przewodzenia. Jako materiał o szerokim zakresie pasma, SiC ma niski ładunek bramki, co oznacza, że SiC potrzebuje znacznie mniej energii, aby urządzenie się przełączało.
Straty przełączania diod są praktycznie wyeliminowane ze względu na dramatyczną poprawę energii powrotnej i prądu końcowego. Przełączanie strat przewodzenia są rezystywne iw konsekwencji są podobne w obu technologiach. Procesy SiC następnej generacji obiecują dalszą poprawę.
Wyższe częstotliwości oznaczają mniejszy rozmiar i ciężar magnesów, ponieważ wartości składników w filtrze transformatora LC stają się znacznie niższe.
SiC dostarcza również 10 razy średni czas do awarii (MTTF) krzemu i jest 30 razy mniej wrażliwy na promieniowanie i pojedynczą awarię zdarzenia. Jednak SiC ma niższą tolerancję na zwarcia i dlatego potrzebuje szybko działającego sterownika bramki.
Standardowe, twarde, wyłączanie przejścia (po lewej) i łagodniejsze przejście stopniowe, które zmniejszy di / dt
Wyższa częstotliwość przełączania nie jest zwykle zaletą dla aplikacji o niższej prędkości. W takich sytuacjach premia kosztowa urządzenia SiC i dodatkowe kwestie projektowe są nieuzasadnione, przez co silikonowe IGBT jest bardziej logicznym rozwiązaniem.
Istnieje również ograniczona dostępność SiC. Przy 600 V / 650 V, dostępność urządzeń SiC jest niska, a co nie jest, są to głównie elementy dyskretne.
Silikonowa tranzystora IGBT wymaga mniej złagodzenia problemów RFI podczas procesu projektowania. Wysokowydajny sterownik bramki nie jest wymagany do zarządzania wyłączeniem lub szybkiego reagowania w celu ochrony urządzenia w przypadku zwarcia.
Sterowniki bramek
Urządzenia SiC potrzebują specjalnie zaprojektowanego sterownika bramki. Jeden zaprojektowany do napędzania krzemu IGBT nie będą obsługiwały prędkości przełączania urządzenia SiC ani szybkiego czasu reakcji na błąd potrzebnego do ochrony urządzenia SiC w przypadku zwarcia.
Wymagają również napięć napędowych, które różnią się od ich odpowiedników z tranzystorami IGBT. Szyny napięciowe są często asymetryczne i zazwyczaj wymagana jest szyna ujemna o kilku woltach, aby całkowicie wyłączyć urządzenie.
Kolejną kwestią jest to, że moduły SiC wymagają dodatkowego wyłączenia. Wyższa częstotliwość / trudniejsze przełączanie w połączeniu z niższymi stratami wewnętrznymi prowadzą do problemów z prądem kolczastym i dzwonieniem.
Zwiększone lub "miękkie" wyłączanie wykorzystuje pośrednie kroki napięciowe do zarządzania wpływem nagłych zmian prądu i łagodzenia dzwonienia. Silikonowe urządzenia cierpią mniej ze względu na efekt tłumienia strat wewnętrznych.
Problemy z opakowaniem
Ze względu na poprawę wydajności dostarczaną przez SiC technologia pakowania stała się głównym ograniczeniem - nawet w przypadku pakietów zoptymalizowanych pod kątem SiC. SanRex (na zdjęciu), Infineon i Wolfspeed opracowali własne pakiety SiC.
Pakiety SiC są zazwyczaj mniejsze, mają niższy profil i bardziej efektywne termicznie niż krzem, chociaż muszą być zaprojektowane z symetrycznym układem, aby zminimalizować indukcyjność pętli. Zalety SiC nie są realizowane, gdy matryce są montowane w tradycyjnych opakowaniach zaprojektowanych do przełączania przy niższych częstotliwościach z bardziej zrelaksowanymi wymaganiami dotyczącymi czasu narastania i spadania. Niesymetryczne projekty działają źle na wyższych częstotliwościach z powodu efektów propagacji fal.
Jeśli mają być wykorzystane zalety tej technologii, należy zastosować specjalne opakowanie SiC i sterowniki bramek, co sprawia, że SiC jest dobrym wyborem dla nowych projektów systemów.
O autorze
