SiC器件常用于大功率工業生產中應用

近年來,電力電子技術行業最重要的發展趨勢是寬禁帶(WBG)原材料的普及,即碳碳復合材料(SiC)和氮化鎵(GaN)。WBG原材料的特點是希望完成更小、更快、更高效的電力工程電子設備。

WBG電力電子設備已經從一般的開關電源和充電器到太陽能發電站和動能儲存的廣泛應用以及網絡拓撲結構造成了危害。SiC電力電子設備進入銷售市場的時間比氮化鎵長,一般用于電壓更高、功率更大的應用。

在工業生產中,電機占總輸出功率的很大比重。它們用于通風空調(HVAC)、超重型智能機器人、原材料運輸和許多其他功能。提高電機驅動器的能耗等級和穩定性是控制成本的有效途徑。SiC在大功率工業生產中的應用越來越多。SiC獨特的特性使其成為解決這一挑戰的首選電力電子技術原料。

SiC原材料的特點

SiC是一種半導體器件,其帶隙(3.26eV)大于硅(1.12eV),對電力工程電子元器件具有許多有益的特點。

電極化穿透抗壓強度比硅高10倍。輸出功率開關元件最重要的功能之一是維持高電壓。由于體積電阻率高,SiC可以根據組件在短距離內使用高電壓。這個距離也是垂直元件中斷面和漏極接觸點之間的漂移區域。較短的漂移區域減少了元件的電阻,即使輸出功率損耗較低。

寬帶網絡間隙也減少了熱激發自由電子的總數,導致自由電荷減少,泄漏電流減少。此外,與傳統的Si元件相比,泄漏電流小,在較高的溫度范圍內穩定。這促使SiCMOSFET和二極管成為更高效的高溫選擇。

SiC的導熱系數是硅的三倍,可以完成更強的排熱。輸出功率電子元件的排熱是控制系統設計的重要組成部分。SiC的導熱系數降低了電源開關的工作溫度和內應力。

最終,SiC電子設備的飽和速率是硅的兩倍,這使得電源開關更快。快速電源開關具有較低的開關損耗,可以在較高的脈沖寬度調制頻率下工作。在一些開關電源轉換網絡拓撲結構中,更高的PWM頻率允許使用更小、更輕、更劃算的無源元件,這通常是系統軟件中最大、最昂貴的部分。

制造SiC圓晶(半導體元件的原料)的全過程比制造SiC圓晶更有趣。硅晶錠可以從溶體中拉出,碳碳復合晶錠必須按照有機化學液相堆積法在真空系統中生長發育。它是一個緩慢的全過程,很難接受生長發育的缺點。SiC是一種相對堅硬易碎的原材料(一般用于工業生產激光切割)。因此,必須獨特的加工工藝來從晶錠中激光切割晶體。

安森美半導體材料有幾個SiC基鋼板供應協議,可以保證生產能力滿足SiC要求。此外,每個人都在發展SiC基鋼板的內部供應趨勢。

改進三相逆變器

三相逆變器是傳統的可調速高壓電機驅動的方案,其硅IGBT與反串聯二極管一起封裝,適用于電機電流換相。三個半橋相位差推動逆變電源的三相電磁線圈,給出正弦函數電流波型,推動電機。

SiC提升系統軟件的特性有幾種方法。逆變電源消耗的動能由通斷損耗和開關損耗組成。SiC器件會損害這兩種損耗系統。

用SiC肖特基勢壘二極管代替反串聯硅二極管越來越廣泛。Si反向二極管有反向恢復電流,會增加開關損耗,造成干擾信號(EMI)。

SiC二極管的優點是基本沒有反向恢復電流,可以減少30%的開關損耗,很可能降低對EMI過濾器的要求。類似地,反向恢復電流在通斷時會增加集電結電流量,因此SiC二極管會減少通過IGBT的最大值電流量,從而提高系統軟件的穩定性。

下一步是用SiCMOSFET完全取代IGBTFET完全取代IGBT。SiCMOSFET可以減少5倍的開關損耗,進一步提高能耗水平。SiCMOSFET的通斷損耗可以 是額定電壓的SiIGBT的一半,實際上在于元器件的選擇。

能耗等級的提高導致排熱越來越少。隨后,設計方案人員可以根據減少制冷系統或完全清除積極制冷來控制成本。然后,較小的電機控制器可以立即安裝在電機外殼上,從而減少電纜和電機控制器柜。

WBG元件電源開關速度快,降低了開關損耗,但也帶來了其他挑戰。較高的dv/dt會產生噪音,很可能會對電機繞阻的絕緣層產生地應力。

一種解決方案是使用門極電阻器來降低電源開關速率,但開關損耗將回升到IGBT水平。

另一種解決方法是在電機相位差上放置過濾器。隨著PWM頻率的增加,過濾器規格變小,可以在排熱和過濾成本之間進行衡量。

快速開關電力電子設備不能承受逆變電源電路中的雜散電感和電容。說白了,內寄生電感會因為電源開關全過程造成的高瞬變而導致 工作電壓高峰。為了去除內寄生效果,請確保印刷電路板(PCB)布局合理。所有開關電源的控制電路和布線應短,元件應排列緊密。即使是門極推動控制電路也要小心降到最低,以減少因噪音而導致 不要想的部件通斷的可能性。

功率模塊以合適的網絡拓撲結構將幾個部件集成在一起,用于電機驅動器(等),進而給出一種快速解決方案,可以提高低內寄生電感器的合理布局。功率模塊減少必須連接到熱管散熱器上的部件總數,從而節省PCB總面積,簡化熱管理方法。

安森美半導體材料的方案

安森美半導體材料不斷增加SiC器件的主力陣容,應用廣泛。

SiC二極管有650V、1200V和1700V版本號,包括TO-220、TO-247、DPAK和D2PAK。每個人都把SiC二極管和IGBT一起封裝,以獲得 平衡特性和成本費的混合解決方案。

SiCMOSFET有650V(新公布的!900V和1200V版本號,選用3線和4線封裝,大家都開發設計了一個基于SiCMOSFET的三相逆變器模塊。

最后,我們還給出了致力于SiC電源開關設計的非保護和電保護門極控制器,以形成全方位的解決方案。

總結

SiC器件的快速開關和無消耗使其成為高效集成電機控制器的關鍵解決方案。如上所述,控制系統設計人員可以縮小電機控制器的規格,使其更接近電機,從而控制成本,提高穩定性。安森美半導體材料廣泛應用于SiC直流伺服電機和系統軟件中。



相關文章
四虎视频影视在线观看_四虎国产精品永久入口_久久丫线这里只精品