Гибридные размыкатели на SiC и кремнии: ниже стоимость, выше характеристики
Разбор результатов исследований гибридного твердотельного размыкателя цепи, в котором параллельно включены кремниевый IGBT и SiC MOSFET. Сравниваются потери проводимости, стоимость, выбросы напряжения и перегрузочная способность относительно решений только на SiC и только на IGBT.
У твердотельных размыкателей цепи (SSCB) немало преимуществ перед механическими. SSCB на карбиде кремния (SiC) выигрывают по КПД, но гибридный SSCB на параллельном соединении кремниевых IGBT и SiC MOSFET способен дать более выгодный компромисс между стоимостью и характеристиками.
Конструкция гибридного SSCB
Цзюй Сюэ и его коллеги из Хэбэйского технологического университета (Китай) показали двунаправленный SSCB на параллельном соединении кремниевого IGBT и SiC MOSFET. Ниже мы кратко разбираем основные результаты этой работы.
Кремниевые IGBT — рабочая лошадка многих мощных преобразователей. Биполярная модуляция проводимости даёт выгодную крутую ВАХ при больших нагрузках. Десятилетия работы над схемотехникой и техпроцессом вместе с опорой на дешёвые кремниевые подложки большого диаметра сделали эти приборы заметно дешевле и живучее, чем их более эффективные широкозонные конкуренты.
SiC MOSFET лучше IGBT при малой нагрузке: в ВАХ IGBT присутствует порог отпирания p-n-перехода, и на малых токах это выливается в более высокие потери проводимости. В преобразователях SiC за счёт меньших паразитных параметров даёт намного меньшие потери переключения, чем кремниевые IGBT на сопоставимых частотах, либо, наоборот, позволяет работать на гораздо более высоких частотах, уменьшая габариты пассивных элементов и повышая удельную мощность.
В применении для размыкателя ключевой параметр — потери проводимости, поскольку аппарат нормально замкнут. Другими определяющими факторами при выборе SSCB могут быть стойкость к перегрузке и к переходному процессу отключения, а также область безопасной работы (SOA), задаваемая зависимостью ток—время (I-t) при заданной рабочей температуре.
Упрощённая схема гибридного SSCB приведена на рис. 1. Две параллельные пары из кремниевого IGBT и SiC MOSFET включены встречно-последовательно, что и даёт двунаправленность. Встречно-параллельный диод в каждой паре обеспечивает обратную проводимость.
Теперь рассмотрим эту схему подробнее.
Выбор компонентов
Правильно подобрать сочетание кремниевого IGBT и SiC MOSFET критично не только для характеристик в целом, но и для стоимости. Анализ цен, выполненный Сюэ с соавторами для SiC MOSFET и кремниевых IGBT на 1200 В производства Rohm Semiconductor, показал, что отношение цены SiC-прибора к цене кремниевого резко растёт с ростом номинального тока. Так, при номинале 30 А это отношение примерно 3, а на номиналах 70–80 А оно превышает 10. Отсюда видно, насколько выгоднее у IGBT обходится большой кристалл. Поэтому для гибридного ключа выбирают IGBT с более высоким номиналом.
В эксперименте для SSCB использовали четыре варианта:
только на SiC MOSFET, приборы с номиналом 31 А;
только на кремниевых IGBT, приборы с номиналом 30 А;
параллельное соединение кремниевых IGBT на 30 А и на 80 А;
гибридное соединение SiC MOSFET на 31 А и кремниевого IGBT на 80 А.
ВАХ приборов, использованных в гибридном ключе, при разных температурах приведены на рис. 2. Снижение тока с ростом температуры учли, рассчитав гибридный ключ на 55 А при температуре перехода 120 °C, причём 38 А из них приходится на IGBT.
Управление затворами
В применении для SSCB быстрые переходные процессы отключения SiC MOSFET с высоким di/dt могут давать крупные выбросы напряжения. Они, в свою очередь, ограничивают выбор MOV и повышают риски для надёжности компонентов, а также риск паразитного отпирания ключей размыкателя. Поэтому в гибридном размыкателе предпочтительно при срабатывании выключать SiC MOSFET первым, а общий ход di/dt задавать медленным выключением IGBT. Включать при возврате размыкателя первым тоже IGBT — это компенсирует его медленное включение и улучшает распределение тока в переходном процессе включения.
Для этого Сюэ с соавторами применили простой и более дешёвый одиночный драйвер затворов: для SSCB он подходит лучше, поскольку сравнительно медленные включение и выключение (порядка 1 мкс) здесь не так критичны, как в схемах преобразователей. Относительные моменты срабатывания двух приборов задают затворные резисторы, как показано на рис. 1. Стандартный RGE на 10 Ом даёт время включения и выключения IGBT 90 и 670 нс. При RGS1 на 10 Ом время выключения SiC MOSFET составляет 67 нс, так что выключение IGBT остаётся доминирующим. На включении высокий RGS2 на 1 кОм гарантирует, что SiC MOSFET включится последним.
Преимущества гибридного SSCB
У гибридного подхода обнаруживается несколько достоинств; ниже основные из них.
Потери проводимости
На малых токах потери проводимости у размыкателя на одном SiC ниже, но и в этих условиях гибридный ключ лучше размыкателя только на IGBT. Более того, при больших токах КПД гибридного ключа намного выше, чем у решения только на SiC, и близок к тому, что даёт вариант с двумя IGBT. Значит, во всём диапазоне токов гибридный ключ оказывается лучшим решением. Точка перехода, где КПД гибридного ключа превосходит решение только на SiC, оказалась около 10 А.
Стоимость
Приведённая стоимость гибридного ключа составила 1,31 доллара на ампер. Это намного лучше 2,81 доллара на ампер у ключа только на SiC и лишь немного хуже 1,09 доллара на ампер у ключа с двумя IGBT. В другом исследовании Хайчэнь Лю с коллегами из Университета Северной Каролины (UNC) для ключа с номиналом 150 А пришли к выводу, что SSCB из двух SiC-приборов по 75 А обходится примерно на 33 % дороже гибридного решения из IGBT на 75 А и SiC MOSFET на 75 А. Это тоже показывает, что выигрыш гибридного ключа по стоимости растёт, когда номинал IGBT пропорционально выше номинала SiC MOSFET.
Выброс перенапряжения
В работе UNC преимущество выключения IGBT последним показали, задержав его выключение на 600 нс относительно SiC MOSFET. Опыт при постоянном напряжении 200 В и уставке срабатывания по аварии 40 А показал, что намного меньшее di/dt в такой реализации гибридного ключа дало пик выброса на 155 В ниже, чем у SSCB только на SiC. Это уменьшает колебания напряжения на затворе и риск паразитного отпирания.
Перегрузочная способность
Здесь проверяется, какой ток ключ держит в замкнутом состоянии. Предельную длительность импульса перегрузки задаёт рост температуры. Гибридный ключ на IGBT 80 А и SiC MOSFET 31 А выдержал более 17 мс, причём температуры переходов не превысили 80 °C. Ключ только на SiC, напротив, выходит на 120 °C уже через 5,65 мс. Объясняется это меньшим тепловым сопротивлением IGBT на 80 А и более пологой зависимостью напряжения в открытом состоянии от температуры по сравнению с SiC MOSFET.
В работе UNC также сделан вывод, что при заданной длительности импульса гибридный ключ пропускает больший ток перегрузки, чем решение только на SiC, причём большую часть этой нагрузки берёт на себя IGBT. Повышенная перегрузочная способность гибридного ключа означает и лучшую область безопасной работы по зависимости I-t. По выводам UNC, в области перегрузки до двукратного номинального тока гибридный ключ допускает существенно большее время перегрузки, чем решение только на SiC. На ещё больших токах, приближающихся к режиму короткого замыкания, лучшая стойкость IGBT к короткому замыканию даёт более живучий SSCB.