Приборы силовой электроники используются очень широко: грузовое оборудование, промышленная электроника, лифтовое оборудование, электротранспорт, возобновляемые источники энергии, бытовая техника. Основное требование, предъявляемое к силовым приборам, - это энергоэффективность. Обеспечить высокое КПД при низких энергозатратах позволит применение нового полупроводниковое материала – карбида кремния (SiC). Его характеристики позволяют существенно сократить потери мощности и снизить энергопотребление силовых приборов.
Сегодня карбидкремниевые кристаллы выпускают различные компании: Rohm, Fairchild, Infineon и др. Однако компания Mitsubishi Electric была одной из первых, кто стал развивать это направление силовых приборов.
Этапы развития карбид кремниевой технологии
Компания Mitsubishi Electric начала разработку SiC технологии в начале 1990х годов. Преследуя цель достижения определенных технических параметров, разработчики компании тестировали различную элементную базу и материалы.
В 2006 году был выпущен SiC инвертер для привода мощностью 3.7 кВт. В начале 2009 года был выпущен 11 кВт инвертер, который обеспечивал 70% сокращение потерь мощности. Уже в конце 2009 года удалось улучшить этот параметр до 90% в 20 кВт инвертере.
В 2010 году компания запустила первый коммерческий проект с использованием кристаллов SiC силового диода – производство кондиционеров воздуха Kirigamine. Также удалось достичь значительной экономии электроэнергии в тяговом оборудовании и промышленной автоматизации.
До этого момента SiC технология применялась только в качестве интегрированных инвертеров и не была доступна для использования в самостоятельных разработках предприятий. 2012 год стал рубежным этапом, когда SiC технология стала доступна в качестве готовых силовых модулей. Первым шагом в этом направлении было создание гибридных SiC модулей, и лишь в 2016 году на рынок были выпущены полностью карбид-кремниевые модули.
В июле 2012 года было начато производство гибридных SiC силовых модулей, а в 2014 году – гибридных DIPIPM модулей для фотовольтаических приложений. Параллельно шла поставка образцов гибридных SiC модулей для оборудования с высокой частотой переключения.
Новым этапом развития SiC технологии стал выпуск полноценных SiC модулей (Full SiC power modules). Сегодня компания Mitsubishi Electric предлагает на рынке Super-mini Full SiC DIPIPM модули SiC-SBD транзисторы, Full SiC силовые модули для тягового оборудования.
Применение SiC модулей
Преимущества применения SiC модулей в различных областях:
Железнодорожный транспорт | - сокращение размеров и веса инвертеров - расширенные рабочие режимы - уменьшение шума |
Промышленное оборудование | - высокая скорость и усилие, уменьшенные размеры - компактная система охлаждения - повышенная надежность оборудования |
Бытовая техника | - эффективная экономия электроэнергии - компактная система охлаждения - компактные размеры конечного изделия |
Возобновляемые источники энергии | - повышенная эффективность преобразования энергии - уменьшение габаритов пассивных компонентов обвязки - бесшумная работа приборов с высокой скоростью переключения |
Лифтовое оборудование | - уменьшение потерь мощности - свобода макетирования и монтажа благодаря уменьшенным габаритам модулей |
Электротранспорт | - уменьшение потерь мощности - компактная система охлаждения - эффективность использования возобновляемой энергии |
В таблице представлены SiC модули Mitsubishi в зависимости от приложений.
Сфера применения | Тип модуля | Наименование | Напряжение, В | Ток, А | Конфигурация |
Бытовая техника, промышленное оборудование | SiC-SBD | BD20060T | 600 | 20 | - |
BD20060S | - | ||||
Промышленное оборудование | Гибридные IPM модули | PMH200CS1D060 | 600 | 200 | 6 в 1 |
PMH75CL1A120 | 1200 | 75 | 6 в 1 | ||
Полные SiC IPM модули | PMF75CL1A120 | 75 | 4 в 1 | ||
Полные SiC силовые модули | FMF400BX-24A | 400 | 2 в 1 | ||
FMF800DX-24A | 800 | ||||
Гибридные SiC модули с высокой частотой переключения | CMH100DY-24NFH | 100 | |||
CMH150DY-24NFH | 150 | ||||
CMH200DU-24NFH | 200 | ||||
CMH300DU-24NFH | 300 | ||||
CMH400DU-24NFH | 400 | ||||
CMH600DU-24NFH | 600 | ||||
Гибридные DIPPIM модули для фотовольтаики | PSH50YA2A6 | 600 | 50 | 4 в 1 | |
Тяговое оборудование | Гибридные SiC силовые модули | CMH1200DC-34S | 1700 | 1200 | 2 в 1 |
Бытовая техника | Super-mini Full SiC DIPIPM силовые модули | PSF15S92F6 | 600 | 15 | 6 в 1 |
PSF25S92F6 | 25 | ||||
Super-mini гибридные SiC DIPPFC силовые модули | PSH20L91A6-A | 20 | interleaved | ||
Super-mini Full SiC DIPPFC модули | PSF20L91A6-A |
Преимущества SiC технологии:
1) Уменьшение потерь мощности
Карбид кремния почти в 10 раз превышает кремний по прочности. Следовательно, слой дрейфа, являющийся основным источником электрического сопротивления, составляет одну десятую часть от толщины. Это свойство материала позволяет достичь беспрецедентного снижения сопротивления, и, следовательно, потерь мощности. SiC приборы отличаются самыми низкими потерями на проводимость и переключение среди всех типов силовых устройств.
2) Работа на высоких температурах
При увеличении температуры электроны попадают в проводящую область и утечка тока увеличивается. В процессе долговременной эксплуатации возникают отклонения в рабочих режимах модуля. Тем не менее, карбид кремния имеет в 3 раза большую область разрыва, предотвращая образование тока утечки и позволяя эксплуатировать силовые модули при высоких рабочих температурах.
3) Высокая скорость переключения
Благодаря высоким параметрам диэлектрической защиты карбид кремния, потери мощности в SiC модулях сокращены и можно добиться высокого напряжения. Таким образом, открывается возможность использования диода Шоттки (SBD – Schottky Barrier Diode), который не применим в стандартных кремниевых модулях. Диод Шоттки обеспечивает высокоскоростное переключение модуля, поскольку он не имеет аккумуляции носителей.
4) Рассеиваемая мощность
Карбид кремния имеет теплопроводность в 3 раза лучше, чем у кремния. Это позволяет улучшить отвод тепла и повысить мощность рассеивания.
SiC модули Misubishi
Гибридные модули имеют маркировку H (например, PMH200, CMH..), а полностью SiC-F (PMF75, PSF…).
Сегодня на рынке представлены следующие SiC модули:
Напряжение к-э, В | Ток коллектора, А | Тип модуля | Топология | Наименование | Корпус |
600 | 20 | SBD | - | BD20060T | 1 |
20 | SBD | - | DB20060S | 2 | |
15 | DIPIPM | Полностью SiC | PSF15S92F6 | 3 | |
25 | DIPIPM | Полностью SiC | PSF25S92F6 | 3 | |
20 | DIPPFC | Гибридный | PSH20L91A6-A | 3 | |
20 | DIPPFC | Полностью SiC | PSF20L91A6-A | 3 | |
50 | 4-в-1 | Гибридный | PSH50YA2A6 | 4 | |
1200 | 75 | 6-в-1 IPM | Гибридный | PMH75CL1A120 | 5 |
75 | 6-в-1 IPM | Полностью SiC | PMF75CL1A120 | 5 | |
400 | 4-в-1 | Полностью SiC | FMF400BX-24A | 6 | |
800 | 2-в-1 | Полностью SiC | FMF800DX-24A | 6 | |
1200 | 2-в-1 | Полностью SiC | FMF1200DX1-24A | 7 | |
600 | 2-в-1 | Полностью SiC | FMF600DX2-24A | 7 | |
800 | 2-в-1 | Полностью SiC | FMF800DX2-24A | 7 |
Дополнительная информация