הקדמה
בעולם החשמל האלקטרוני, הגודל אף פעם לא קובע. הדבר נכון במיוחד במערכות חשמל במתח גבוה, שעבורן המעצבים דורשים טכנולוגיית מוליכים למחצה טובה יותר כדי לענות על דרישת הלקוחות לממירים קטנים יותר, קלים יותר, אמינים ויעילים יותר ויקרים פחות. עם MOSFETs מסיליקון ו-IGBTs מסיליקון, אין ברירה אלא לעשות פשרות. לדוגמה, אפשר לבחור בעיצוב האמין ביותר או היעיל ביותר, אך לא בשניהם. MOSFETs מסיליקון קרביד במתח גבוה (SiC) הם המפתח שהמעצבים צריכים כדי לשחרר את עצמם מאזיקי הסיליקון.
איור 1 :צי שלם של רכבים חשמליים שאינם מיועדים לצרכנים נהנה מהיתרונות של SiC MOSFETs במתח גבוה. קרדיט: Microchip Technology
במשך כמעט שני עשורים, התקני חשמל מסוג SiC בדירוג של 650 עד 1200 וולט חדרו לשוק, לאחר זמן רב הם אפשרו למעצבים לבצע התקדמות מהפכנית בטכנולוגיות וציוד קצה ולשפר בו זמנית את הביצועים, האמינות, הגודל, המשקל ואפילו את העלות. הגרסה האחרונה של משפחת מוצרי SiC במתח 1700 וולט מגבירה את שלל היתרונות של SiC במעלה שרשרת המזון כדי לסייע להעביר את פרדיגמת המרת החשמל למגזרים חדשים, למשל רכבים חשמליים מסחריים ורכבים חשמליים כבדים, כוח גרירה והספק עזר לרכבת קלה, אנרגיה מתחדשת, והנעים תעשייתיים.
במאמר זה נדון בפירוט ביתרונות של SiC MOSFETs במתח 1700 וולט על פני הפתרונות הקיימים מסיליקון במגוון רחב של רמות הספק – מוואטים ועד מגה-וואטים.
עשרות עד מאות וואט
ברמת הספק כל כך נמוכה, למה הטרנזיסטור צריך הספק של 1700 וולט? למרות שיש רק אחד, הוא נמצא בכל מקום: ספק העזר (AuxPS) נמצא בכל מערכת אלקטרונית חשמלית, הוא חיוני לתפעול השוטף של כוננים תעשייתיים, רכבים חשמליים, מרכז נתונים וסוללות גיבוי, ממירי שמש, תשתיות טעינה ועוד. ה-AuxPS הוא קריטי למערכת מכיוון שהוא מספק חשמל למגברי דחיפה מבודדים, מעגלי חישה ובקרה ולמאווררי קירור. כתוצאה מכך, ה-AuxPS חייב לפעול בכל מצב, וחייבים לצמצם את כל הסיכונים הנלווים.
מכיוון שהספקים המבודדים ובעלי ההספק הנמוך הללו משמשים ביישומים מגוונים ברחבי העולם, הם חייבים שתהיה להם כניסת DC בעלת טווח רחב במתח גבוה (300 עד 1000 וולט) ויציאה במתח נמוך (5 עד 48 וולט). שימוש במעגל פשוט היא ככל הנראה השיטה הטובה ביותר להפחתת כשלים. כפי שמוצג באיור 2, המעגל האמין ביותר הוא טופולוגיית Flyback עם מתג יחיד (איור 2, מימין), שמציעה פשטות ופחות רכיבים – כמו כן העלות הכוללת שלה נמוכה יותר.
הפיתוח של SiC MOSFETs במתח 1700 וולט מספק פתרון אידיאלי עבור AuxPS. בעזרת שילוב של מתח פריצה גבוה, התנגדות הפעלה ספציפית נמוכה יותר ומיתוג מהיר, המכשירים האלה מתאימים היטב לטופולוגיית Flyback עם מתג יחיד. לעומת זאת, דירוג המתח של פתרונות מבוססי סיליקון הוא נמוך מדי, דבר שמחייב ארכיטקטורת שני מתגים (מוצג באיור 2, משמאל) ומכפיל את האפשרות לכשל, או שדירוג המתח שלהם מספק ביצועים גרועים, מעט ספקים, ומחיר גבוה יותר לעומת SiC.
מעבר לאמינות המשופרת, סכימת הבקרה הפשוטה יותר, מספר הרכיבים המופחת והעלות הנמוכה יותר, AuxPS שעושה שימוש ב-SiC MOSFETs במתח 1700 וולט יכול להיות קטן יותר. ההתנגדות במצב מנורמל, שנקראת גם התנגדות הפעלה ספציפית (Ron,sp), של רכיבי SiC MOSFET קטנה בעשרות מונים מזו של רכיבי MOSFET מסיליקון. פירוש הדבר שניתן להשתמש באריזות קטנות יותר עבור התבנית הקטנה יותר, אובדני ההולכה מצטמצמים, דבר שעלול לגרום בסופו של דבר לגוף חום קטן יותר (או הסרה מוחלטת). יתר על כן, הפסדי המיתוג של מכשירי SiC MOSFET קטנים יותר, כך ניתן להקטין את הגודל, המשקל והעלות של השנאים על ידי הגדלת תדירות המיתוג.
איור 2: ניתן להחליף את טופולוגיית שני המתגים (משמאל) שמשתמשת בטרנזיסטורי סיליקון ב-Flyback עם מתג יחיד (ימין) הפשוטה הרבה יותר, ב-SiC MOSFETs במתח 1700 וולט עם ביצועים טובים יותר ובמחיר נמוך יותר. קרדיט: Microchip Technology
עשרות עד מאות קילוואט
ברמות ההספק הגבוהות, ל-SiC MOSFETs במתח 1700 וולט יש יתרונות רבים על פני MOSFET ו-IGBT מסיליקון ביישומים בטווח של בין עשרות למאות קילוואט. הדוגמאות כוללות ממירים סולאריים מיתריים ומרכזיים, יחידות כוח עזר (APUs) בכלי תחבורה מסחריים, מכונות חימום וריתוך באינדוקציה, כוננים תעשייתיים, ממירי רוח ועוד.
ככל שההספק המעובד גדל, כך גדלה ההשפעה של המיתוג המהיר והיעיל יותר של SiC. בהשוואה ל-IGBTs מסיליקון, SiC MOSFETs מפחיתים את הפסדי המיתוג בממוצע של 80%, כך הממירים יכולים להגדיל את תדירות המיתוג ולצמצם את הגודל, המשקל והעלות של שנאים מגושמים ויקרים. ולמרות שהפסדי ההולכה של SiC MOSFETs ו-IGBTs מסיליקון דומים בעומסים כבדים, יישומים רבים פועלים רוב חיי השירות שלהם תחת מה שנקרא “תנאי עומס קל”. הנה כמה דוגמאות: ממירים סולאריים הפועלים בימים מעוננים או בצל; ממירי טורבינות רוח בימים ללא רוח; או דלתות רכבת (שנפתחות/נסגרות על ידי APUs לתחבורה) שסגורות כמעט כל הזמן. בתנאי העומס הקל הנפוצים האלה, SiC MOSFETs מציעים הפסדי הולכה נמוכים יותר כדי לפצות על הפסדי המיתוג המופחתים שלו, כך ניתן להפחית את פעולת צלעות הקירור או אמצעי ניהול תרמיים אחרים.
מנקודת מבט של אמינות, רכיבי SiC MOSFET מעצימים את היכולת של המעצבים לפשט את טופולוגיית המעגלים ואת ערכת הבקרה, וכן להפחית את מספר הרכיבים – המשוייכים, וכמובן, בעלות נמוכה יותר. בשל צורכי ההספק הגבוה יותר של ממירי ההספק הבינוני האלה, נעשה שימוש במתח פס DC גבוה יותר – בדרך כלל בין 1000 ל-1300 וולט. כשבוחרים טרנזיסטורים מסיליקון לשימוש במתחי קישור DC גבוהים אלו, דרישות היעילות מכתיבות למעצבים לבחור בין כמה ארכיטקטורות מעגלים מורכבות בשלוש רמות. כפי שמוצג באיור 3, אלה כוללים את מעגל הדיודה עם נקודה נייטרלית (NPC), מעגל ה-NPC הפעיל או מעגל T-type. לעומת זאת, השימוש ב-SiC MOSFETs במתח 1700 וולט מאפשר למעצבים להשתחרר מהאילוצים הללו ולחזור למעגל הדו-מפלסי האלגנטי יותר המוצג בצד הימני של איור 3, לחתוך את מספר המכשירים בחצי ולייעל את הפיקוח.
איור 3: ניתן לפשט את הטופולוגיות המסובכות עם שלוש הרמות (משמאל) שעשות שימוש ב-IGBT מסיליקון לטופולוגיה הדו-מפלסית האלגנטית והאמינה יותר (מימין) באמצעות שימוש בחצי (או פחות!) מודולים של SiC MOSFETs במתח 1700 וולט. קרדיט: Microchip Technology
ראוי להזכיר את החשיבות של אריזת החשמל והנעת שערים נכונה של SiC MOSFETs. מכיוון ש-SiC יכול להחליף רמות הספק גבוהות במהירויות גבוהות מאוד, יש להקפיד להימנע מתגובת יתר ולהפחית את פליטת הרעש. ממירי הספק בינוני ביישומים אלו מכבים באופן שגרתי מאות אמפר על פני פס של 1000-1300 וולט תוך פחות ממיקרו-שנייה, לכן יש צורך בחבילה ההשראות הנמוכה ביותר שקיימת, מגברי דחיפה מבודדים מהירים ומערכת שפרוסה באופן אופטימלי.
שילוב חבילת ההספק SP6LI של Microchip Technology עם משפחת מגברי הדחיפה המבודדים הדיגיטליים ®AgileSwitch מספק למעצבים פתרונות להפקת התועלת המרבית מ-SiC MOSFET במתח 1700 וולט מבלי להתמודד עם האתגרים הנפוצים הללו.
מגה-וואט
בטווח ההספק מולטי מגה-וואט, גורמי תכנון מרכזיים כוללים הקלה במדרגיות ותחזוקה מינימלית, דבר שמוביל את השימוש בפתרונות מודולריים שמבוססים על תא יחידה בסיסי. כפי שמוצג באיור 4, תאי היחידה, שנקראים לעתים אבני בניין עם הספק אלקטרוני או תת-מודולים, מוגדרים כממירי גשר H-מדורגים או ממירים רב-מפלסים מודולריים (MMC). יישומים בקנה מידה של מגה-וואט כוללים שנאי מצב מוצק (SSTs), מערכות הפצת DC במתח בינוני, יחידות כוח תאוצה (TPUs) בכלי רכב מסחריים וכבדים, ממירים סולאריים מרכזיים, ממירי רוח ומערכות המרת חשמל על ספינה.
באופן היסטורי, התקני המוליכים למחצה שבהם נעשה שימוש בתאי היחידה היו IGBT מסיליקון במתח של 1200 עד 1700 וולט. בדומה ליישומים בהספק נמוך יותר, הפריסה של SiC MOSFETs במתח 1700 וולט ברמת התא היחיד מרחיבה את יכולת הטיפול שלהם בחשמל ואת הביצועים החשמליים שלהם. כפי שהוזכר קודם לכן, הפסדי המיתוג ב-SiC MOSFETs במתח 1700 וולט נמוכים בהרבה, כך ניתן להגדיל את תדירות המיתוג ולהקטין באופן דרסטי את הגודל של כל תא יחידה. יתרה מכך, מתח החסימה הגבוה של 1700 וולט גורם להפחתת מספר תאי היחידה הנדרשים לאותו מתח DC link, דבר שבסופו של דבר מגביר את אמינות המערכת ומביא לקיצוץ בעלויות.
איור 4: (משמאל) ממיר רב-מפלסי מודולרי עם מספר תאים להשגת דירוג ההספק הנדרש ו-(מימין) שתי דוגמאות לאופן שבו ניתן להשתמש בתצורה פשוטה של תא דו-מפלסי יחיד עם MOSFETs SiC במתח 1700 וולט. קרדיט: Microchip Technology
סיכום
הגעתו של SiC MOSFETs במתח 1700 וולט תורמת למגוון יישומים וציוד קצה על ידי מתן אמינות גבוהה יותר בעלות מופחתת – שניהם אפשריים ובו זמנית גם כשהופכים את הממירים לקטנים יותר, קלים יותר ויעילים יותר. מואט ועד מגה-וואט, רכיבי MOSFET SiC במתח גבוה מאפשרים למעצבים להפסיק להתעכב על הפשרות שהשימוש בסיליקון מביא איתו ולבצע שיפורים מהפכניים במערכות המרת החשמל. עם מכשירי החשמל הקשוחים ביותר בתעשייה שפועלים עם SiC, אריזות הספק מתקדמות עם השראות טפילית נמוכה במיוחד ומגברי דחיפה מבודדים דיגיטליים מסייעים למעצבים להפיק את הערך המרבי מ-SiC ולהאיץ את זמן היציאה לשוק.
