מאות וולטים ואמפרים ממתגים בהפסד נמוך

השאיפה לניהול יעיל של אנרגיה חשמלית חוצה את כל תחומי הנדסת החשמל והאלקטרוניקה. מאז שהרוח והשמש מכסים חלק מהותי ממקורות האנרגיה היומית שלנו, מופנית תשומת הלב גם לאותם רכיבים באלקטרוניקת ההספק, הממתגים באמצעות ממירים מאות וולטים ואמפרים ביעילות רבה, עוד לפני שניתן להזין את האנרגיה הירוקה לרשת. מדובר במפסקי הספק IGBT ו-SiC-FET, וכמו כן, בדרך בה מוזנים מנהלי התקן בשער-מתח באופן מיטבי. טכנולוגית החצי-מוליכים הנ”ל נמצאת לא רק בענף ממירי הרוח והשמש, אלא נמצאים בשימוש בכל אלקטרוניקת ההספק, החל מבקרת מנוע, דרך מערכות ריתוך, תנורי השראה ומשאבות ואקום (ריקם) ועד להינע חשמלי לרכב והרבה מעבר לזה.
בשלב המוקדם של אלקטרוניקת ההספק השתמשו המפתחים בטרנזיסטורי הספק דו-קוטביים בלבד. הם נועדו למתחי חסימה של עד

איור 1: ממירי זרם ישר/זרם ישר עם בידוד רב מבטיחים הזנה מיטבית למנהלי התקן SiC-FET ו-IGBT באלקטרוניקת ההספק

500 וולט והיו מסוגלים למתג זרמים של 100 אמפר ויותר. להשגת הספק מרשים זה נזקקו לזרמי בקרה גדולים, כדי לשמור את שיפועי הצלע החדים של הפסדי המיתוג בגבול הסיבולת. בדרך כלל נדרש לכך בבסיס 10% עד 20% מהזרם בקולט. פתרון לבעיה זאת היה פיתוח ה-MOSFET (טרנזיסטור תוצא-שדה חצי מוליך מתחמוצת מתכת). התקנת השער של ה-MOSFET מבודדת, כך שרק זרמים קטנים וזניחים חייבים לזרום לטעינת קיבול השער ולפריקתו. הפסדי האנרגיה בצד הבקרה צנחו משמעותית.
כמובן שנשארו שני מקורות להפסד, הידועים בין החצי-מוליכים הדו-קוטביים:
1. “הפסדי המיתוג” עקב השיפוע המוגבל של הצלע במהלך מחזורי המיתוג
2. הפסדי “ההולכה” במצב החצי-מוליך – המוליך הנקרא גם “הפסדי מצב מופעל”
בעוד המפרט הטכני של ה-MOSFET מגדיר את הפסדי “ההולכה” ובמידה רבה הם מקובעים, הרי לגבי הפסדי המיתוג אחראית בעיקר איכות הבקרה, והמפתחים יכולים לתכנן אותם באמצעות עקרונות מיתוג מתאימים.

איור 2: השטח מתחת למהלך הזרם/מתח בעת ההפעלה (האיור העליון) וההשבתה (למטה) הוא אמת המידה להפסדי המיתוג. עקב צלעות מיתוג משופעות יותר ה-Sic-FET (מימין, למעלה ולמטה) פי 4 יעיל יותר מה-IGBT בטמפרטורת סביבה של 25oC ותוך הכללת הפסד דיודת הגוף

IGBT מקשרים את יתרונות ה-MOSFET עם הטרנזיסטור הדו-קוטבי
החיסרון שנגרם על ידי “הפסדי מצב מופעל” בקטע שפך-מוצא אינו קיים יותר תודות לפיתוח ה-IGBT. כפי שהשם אומר “טרנזיסטור דו-קוטבי בעל שער מבודד” (IGBT), מדובר בתערובת של MOSFET בכניסה ובטרנזיסטור דו-קוטבי ביציאה. כך משלימים ה”גנים” של שני המרכיבים באופן מיטבי אחד את משנהו. ה-IGBT מאפשרים מיתוג כמעט ללא זרם, כמו MOSFET, ובמצב המוליך יתכן מפל מתח נמוך, המאפיין טרנזיסטור דו-קוטבי בקטע קולט/פולט. לכן הם מאפשרים למתג מתחים וזרמים גבוהים בהפסדים מאד נמוכים.

Sic-FET (טרנזיסטור תוצא שדה מפחמת צורן) אידיאלי להספקים גדולים יותר ולתדירויות גבוהות יותר
בעוד הגימור של IGBT הוא מצורן חד-גבישי, משתמשים ב-Sic-FET בפחמת צורן. לחומר זה נקודת היתוך גבוהה יותר ומאפשר שכבות בידוד דקות יותר בשער. זה משפר את כושר המוליכות התרמית ומאפשר צפיפות הספק גדולה יותר. הפסדי המיתוג של Sic-FET נמוכים לפחות פי 4 מאלו של IGBT (איור 2), יתרון המשתלם במיוחד בתחום העליון של ההספק ובתדירות המיתוג הגבוהה. עקב העלות הגבוהה ישלטו ה-Sic-FET בעתיד בתחום הביצועים המעולים אך לא יוכלו לדחוק את ה-IGBT משוק הייצור ההמוני.

ממיר זרם ישר/זרם ישר הם ערובה להזנת מתח מיטבית
כמוזכר בפתיח, הפסדי המיתוג נקבעים לפי מידת האיכות של הבקרה. לכן חייבים לשים לב במיוחד למנהל התקן השער והזנת המתח שלו. מנהל ההתקן צמוד לפוטנציאלים הגבוהים של ה-IGBT או ה-Sic-FET, לכן כניסת האות והזנת המתח למעגל המשולב של מנהל ההתקן חייבות להיות מבודדות היטב. מימוש בידוד ההזנה ניתן לבצע בנקל במיוחד על ידי שימוש בממיר זרם ישר/זרם ישר מבודד.
מכלולי מנהל התקן מסחריים מופעלים באופן לא סימטרי במתח חיובי ושלילי. בכל אופן שונים מנהלי התקן של ה-IGBT וה-Sic-FET

איור 3: ניתן להזין בנוחות מירבית מנהלי התקן ל-IGBT ול-Sic-FET באמצעות ממירי זרם ישר/זרם ישר עם בידוד רב, כאשר יש להם יציאות לא סימטריות -9 וולט/+15 (למשל RECOM RKZ 1509) ובהתאמה וולט/ וולט (למשל RECOM RxxP22002D)

בגובה המתח הנדרש.
ל-IGBT מציינים בדפי הנתונים במתח סף של +3 וולט. להפעלת הולכה נקייה ומהירה באופן מעשי נדרשים +15 וולט. בהתחשב בעומס קצב שינוי המתח (dV/dt) הגדול לניתוק בטוח נדרש אפילו קדם-מתח-שלילי בשער. כמו כן נמנע מיתוג אקראי מחדש. באופן מעשי נקבעו וולט כערך בטוח. לכן להזנת מנהל התקן IGBT נדרשים ממירים עם מתחים של +15 וולט ו- וולט (איור 3, משמאל).
מצב מעט שונה נוצר ב-Sic-FET. סף המיתוג שלו הוא +1 עד +2 וולט. כדי לשמור על הפסדי הולכה נמוכים (התנגדות בתחום הלינארי RDSON), מומלץ לשמור על מתח שער-מקור של +20 וולט, אם מסתפקים ב-+15 וולט המקובלים ב-IGBT, הפסדי RDSON הם עד 30% יותר. לניתוק בטוח הוכחו -5 וולט (איור 2, מימין). מתח שלילי גדול יותר יגרום לשינוי פרמטר שער-מקור ומכאן ישפיע על היציבות.

dV/dt גבוה מציב את מחסום הבידוד בלחץ
הבידוד של ממיר זרם ישר/זרם ישר ניתן להשוואה עם סכר שממדיו נועדו למפלס מרבי מסוים. אם הוא גבוה מהמפלס, בנחשול סערה הוא יעמוד מול הגלים. לעומת זאת אם במקומות אחדים הוא יישטף, הוא עלול להישבר מתישהו.
בדומה לכך, מתנהל הבידוד של ממיר זרם ישר/זרם ישר. תדירות מיתוג גבוהה – ל-IGBT לרוב 10 קילו-הרץ עד 50 קילו-הרץ, ל-Sic-FET עדיף 50< קילו-הרץ, וצדדים תלולים משמעותם מאמץ קבוע לרכיבי הבידוד של המערכת. במיוחד בפעולה ההדדית הקיבולים וההשראויות הטפיליים “הסמויים” במיתוג עשויים להופיע שיאי מתח המעמיסים את בידוד הממיר עד לקצה הגבול. אין “נוסחת פלא” המאפשרת לקבוע במדויק את גובה שיאי המתח ומכאן את תוחלת החיים של המערכת.
גם העזרה הנוספת של טכניקת המדידה מותנית מאד. הקיבול הזעום היחסי בגשש מתח גבוה של אוסצילוסקופ מזייף את תוצאות המדידה. למשל, שיא מתח נמדד של 2 קילו-וולט עשוי להכפיל את עצמו במציאות, ללא עומס של הגשש. אין ביטחון מוחלט. מי שמסתמך על המדידה ומשלב שימוש בממיר עם בידוד מדוד מצומצם, מסכן לאורך זמן את אמינות המוצר שלו. לכן בקביעת הממדים, נוטים המפתחים ליישם מפסקי הספק מהירים יותר, כדי לשלב עתודת זהירות מספקת וממירים עם בידוד הטוב ביותר במידת האפשר.

ממירי זרם ישר/זרם ישר יעילים ליישומי
IGBT/ Sic-FET
Rutronik מנהיגה סדרה שלמה של ממירי זרם ישר/זרם ישר מבית RECOM, במבחר שפותח במיוחד להזנת מנהלי התקן ל-IGBT ול-Sic-FET. לממירים יציאה לא סימטרית לבחירה -9 וולט/+15 (IGBT) או -5 וולט/+20 (Sic-FET) עם מתחי כניסה של 5 וולט, 12 וולט, 15 וולט ו-24 וולט. ההספק הנדרש, בין היתר, תלוי בתדירות המיתוג.  ב-10 קילו-הרץ לערך מספיקים לרוב הספקים עד 1 ואט, ב-50 קילו-הרץ ויותר נדרש עד 2 ואט. המוצרים פועלים במצב “שיתוף מתח”. המשמעות היא שההספק הנקוב ניתן לחלוקה באופן אקראי בין שתי היציאות. בבידוד ישנם הבדלים נוספים. ניתן לספק את משפחת RKZ עם מתחי בידוד של 3kVDC ו-4kVDC, גרסת RxxP2xx אפילו עם 5.2kVDC- כמקובל ב-RECOM נבדקו המשפחות החדשות במעבדת איכות הסביבה שלנו במהלך פיתוח ניסויי HALT (ניסוי חיי שירות מואצים ביותר) כדי לערוב לחיי שירות ארוכים. האחריות היא ל-3 שנים. המוצרים יוצרו על פי ההנחיה להגבלת מוצרים מסוכנים (RoHS) וחקיקת REACH (רישום, הערכה, רישוי והגבלת חומרים כימיים) וקבלו אישור לפי UL-60950-1.

ריינהרד צימרמן הינו משווק מוצרים בחברת RECOM Power