CC BY
29
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ И СИСТЕМЫ
УДК 621.314.58
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-5-326-331
АНАЛИЗ ВАРИАНТОВ ПРИМЕНЕНИЯ SiC- И GaN-ТРАНЗИСТОРОВ В СИЛОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯХ
В.А. Шпенст, Н.В. Краснов
В статье рассмотрены возможности применения карбид-кремниевых (SiC) и нитрид-галлиевых (GaN) транзисторов в качестве ключей силовых преобразователей. Представлены особенности работы данных устройств, выгодно выделяющие их по сравнению с традиционными кремниевыми транзисторами, а также выявлены основные недостатки и проблемы при эксплуатации, препятствующие широкому применению SiC и GaN транзисторов. При анализе трудностей применения рассмотрены наиболее перспективные методы их преодоления.
Ключевые слова: SiC транзистор, GaN транзистор, преобразователь, энергетическая эффективность, паразитные явления.
Одними из важнейших задач, стоящих перед наукой в настоящее время, являются энергосбережение и повышение энергетической эффективности работы электротехнических устройств и комплексов различного назначения [1, 2]. Постоянно совершенствуются и создаются новые технологии, способствующие уменьшению рассеиваемой мощности и, как следствие, более эффективному использованию энергии, затрачиваемой на работу системы в целом.
Не являются в данном отношении исключением и различные силовые преобразователи. Помимо упомянутых выше первостепенных задач снижения потерь на тепловое рассеяние и повышения энергетической эффективности работы преобразователя в целом, еще одной важной целью научных исследований является уменьшение габаритных размеров и массы соответствующих устройств. Главным способом решения поставленных задач является использование последних достижений и открытий в области электронной компонентной базы, используемой в топологиях преобразователей. Очевидно, что, уменьшив мощность, рассеиваемую на компонентах преобразователя, будет достигнуто и снижение размеров и массы преобразователя за счет снижения потребности в радиаторах.
Основными элементами любого силового преобразователя являются силовые полупроводниковые устройства (и они же являются главными компонентами, на которые приходится тепловое рассеяние мощности), поэтому в целях решения обозначенных задач логичным является обращение к изучению возможностей применения различных видов полупроводниковых устройств в качестве силовых ключей.
В настоящее время в области выбора полупроводниковых ключей происходит постепенный переход на знакомые всем полевые транзисторы с изолированным затвором (metal-oxide-semiconductor field effect transistor, MOSFET), но выполненные не из кремния, являвшегося ранее их основным материалом, а из полупроводников с широкой запрещенной зоной. Последние представлены в первую очередь карбидом кремния
326
(SiC), нитридом галлия (GaN) и арсенидом галлия (GaAs). Данные устройства пока не нашли широкого применения, в первую очередь ввиду высокой стоимости, однако совершенствуемая в настоящее время технология производства рассматриваемых транзисторов в обозримом будущем обещает привести к их постепенному удешевлению.
Существует ряд исследований, ставящих целью выявить, транзисторы из какого материала - SiC, GaAs или GaN - обеспечивают более качественную и надежную работу. На рисунке приведено сравнение основных характеристик материалов, применяемых при изготовлении транзисторов. Все транзисторы, выполненные из данных материалов, отличает от биполярных транзисторов с изолированным затвором (insulated-gate bipolar transistor, IGBT) более высокая частота переключения (до нескольких десятков МГц в случае транзисторов из соединений галлия против максимально возможных десятков кГц в случае IGBT), при которой поддерживается качественный режим работы и сохраняются малые энергетические потери.
Сравнение основных характеристик полупроводниковых материалов, применяемых
для изготовления транзисторов
На основании ряда экспериментов по мониторингу состояния силовых ключей, а также формы и гармонического состава выходных характеристик преобразователей, работающих в течение длительного времени на нагрузки средней и высокой мощности, был сделан вывод о том, что при работе в одинаковых условиях и высокой частоте коммутации преобразователь, построенный на GaN MOSFET, демонстрирует меньшие потери [3,4].
В то же время отмечается, что более выгодным в качестве силового ключа является SiC MOSFET благодаря низким коммутационным потерям даже на высоких частотах переключения, низкому сопротивлению участка сток-исток во включенном состоянии и высокому запирающему напряжению [3]. Также необходимо отметить, что технология производства GaN транзисторов развита на данный момент слабее и позволяет получать лишь устройства, рассчитанные на малые и средние значения напряжения (не выше 650 В). Значения коэффициента мощности и суммарного коэффициента нелинейных искажений практически идентичны для SiC и GaN транзисторов. Важным вопросом остается стоимость производства: транзисторы из GaN дешевле в производстве, чем из SiC и GaAs.
Физические свойства SiC и GaN обеспечивают следующие достоинства приборов, выполненных на их основе, и выгодно выделяют их на фоне традиционных кремниевых диодов и ЮВТ [5,6]:
- более высокая производительность при высоких температурах, мощностях, напряжениях и высоких частотах коммутации;
327
- повышение КПД устройства за счет высокой плотности тока по отношению к рабочему напряжению;
- меньшие масса и габаритные размеры;
- меньшие динамические потери;
- меньшие тепловые потери на силовых ключах.
Однако не следует считать, что IGBT теряют области применения в связи с развитием технологии производства транзисторов из широкозонных полупроводников. IGBT также постепенно совершенствуются и их некоторые рабочие характеристики приближаются к показателям SiC и GaN транзисторов (в первую очередь, максимально допустимая рабочая мощность). Вкупе с более низкой ценой, это позволяет сохранять лидирующую позицию IGBT в качестве силовых ключей различных преобразователей. Более того, существуют гибридные модули, в которых IGBT и SiC MOSFET включены встречно-параллельно, что позволяет использовать достоинства обоих устройств, и в некоторых случаях повышать эффективность работы ключа по сравнению с одиночными транзисторами.
Меньшие тепловые потери на транзисторах, выполненных из широкозонных материалов, помимо снижения потребности в мощных фильтрах, способствуют значительному снижению габаритных размеров и массы силового преобразователя в целом. Встречаются примеры преобразователей на SiC или GaN транзисторах, выполненные вовсе без радиаторов, так как для их охлаждения достаточно естественного внешнего охлаждения [6].
Однако, как и в случае любой другой технологии, применение рассматриваемых транзисторов, помимо очевидных преимуществ, имеет и ряд недостатков. Так, высокая плотность тока на транзисторе приводит к значительному перенапряжению, что может привести к перегреву устройства или электростатическому разряду. Следует также отметить, что переход с кремниевых на один из рассматриваемых транзисторов предполагает не просто механическую замену одних устройств другими, но также и изменение всей топологии преобразователя для обеспечения качественной и надежной работы.
Главными технологическими препятствиями широкому применению SiC и GaN компонентов в настоящее время являются ограниченная нагрузочная способность кристаллов и высокая цена. Основным путем расширения токового диапазона является увеличение размера микросборок, однако этот подход ведет к резкому росту процента дефектных кристаллов и дальнейшему повышению стоимости готовых изделий.
В процессе производства материал подложки SiC и GaN транзисторов подвергается воздействию внутренних и внешних сил, что приводит к увеличению размера дефектов и сдвигам внутри кристаллической решетки. Кроме того, нежелательно проникновение влаги внутрь корпуса транзистора из-за способности карбида кремния и нитрида галлия к абсорбированию влаги, что может привести к «эффекту попкорна», т.е. образованию трещин в кристалле при воздействии высоких температур [7].
Главным источником многих проблем, возникающих при использовании SiC и GaN транзисторов, является возможность работы при высокой частоте переключения силового ключа. Последняя, помимо рассмотренных выше преимуществ по сравнению с кремниевыми транзисторами, приводит также и к возможности ложных срабатываний транзистора и его преждевременному износу. Кроме того, работа при высокой частоте переключения является основной причиной возникновения паразитных явлений, приводящих к возникновению электромагнитных помех и токов утечки, влияющих на форму выходного напряжения.
Паразитные явления при их описании и моделировании условно разделяют на внутренние (межэлектродные емкости, индуктивности электродов, внутреннее сопротивление затвора, встречно-параллельный паразитный диод) и внешние (индуктивности выводов электродов и подключаемых к ним проводников). Паразитные индуктивности служат причиной возникновения электромагнитных помех, которые могут сделать работу всего электротехнического комплекса неприемлемой в условиях высоких
требований к качеству электроэнергии. Наибольшее влияние на ухудшение качества выходного напряжения оказывает увеличение паразитной емкости затвор-сток [8]. Наиболее часто применяемым методом борьбы с паразитными индуктивностями является параллельное подключение к транзистору конденсаторов определенной емкости. Для преодоления явления, называемого паразитным диодом, необходимо встречно-параллельно подключить диод с меньшими значениями падения напряжения в состоянии прямого включения и времени восстановления.
По мере увеличения нагрузки на SiC MOSFET возрастает падение напряжения на нем в прямо включенном состоянии. В свою очередь значительно уменьшается пороговое напряжение из-за износа оксида затвора [9]. По мере износа оксида затвора значительно повышается ток утечки сток-исток и ток утечки на затворе. Износ оксида затвора вызван воздействием на него электрического поля высокой напряженности. Длительное воздействие высоких температур на SiC MOSFET также может привести к преждевременному износу корпуса устройства. Все перечисленное приводит к росту потерь на транзисторе во включенном состоянии.
При последовательном включении SiC или GaN MOSFET наблюдается неравномерное распределение падений напряжения на них. Главными причинами подобного эффекта являются колебания тока утечки сток-исток в выключенном состоянии и разница динамических коммутационных характеристик отдельных транзисторов. Последние возникают из-за незначительных различий при производстве, неточной синхронизации управляющих сигналов и различия термических и электрических характеристик корпусов. Для решения данной проблемы могут быть использованы параллельно включенные резистор и резистивно-емкостной фильтр. Однако данное решение хоть и не приводит к увеличению потерь при переключении транзистора, но вызывает увеличение общих потерь мощности. Тем самым значительно снижается целесообразность применения SiC и GaN транзисторов, поскольку достигаемые при их использовании преимущества в области повышения энергетической эффективности существенно уменьшаются из-за включения фильтров.
Отдельно следует отметить и проблемы, связанные с управлением SiC и GaN транзисторами. Высокая частота переключения создает дополнительные сложности, так как обеспечение синхронного переключения входящих в одну фазу ключей, высокой точности формирования управляющих сигналов в кратчайшие интервалы времени и противодействие ложным включениям становится критически важным.
Существует два основных способа переключения: жесткая и мягкая коммутация. Жесткая коммутация сопровождается промежутками времени, в течение которых через силовой ключ могут одновременно протекать нагрузочный ток и ток восстановления диода; в течение данного времени на участке сток-исток присутствует напряжение. Жесткая коммутация сопровождается значительными динамическими потерями и медленно затухающими всплесками напряжения, и, как следствие, сильным электромагнитным излучением, ухудшением электромагнитной совместимости устройства и уменьшением его надежности в целом. Основной метод сглаживания в таком случае -принудительное замедление коммутации (к примеру, повышением сопротивления цепи затвора), что закономерно приводит к увеличению тепловых потерь [10, 11].
При мягкой коммутации переключение транзистора обеспечивается благодаря параллельному включению конденсатора; это способствует удержанию напряжения на допустимом уровне в течение спада тока транзистора [10, 12]. При этом в момент переключения одна из величин (ток или напряжение на транзисторе) принимает нулевое значение. Такого рода коммутация характеризуется низкими тепловыми потерями.
Список литературы
1. Абрамович Б.Н., Веприков А.А., Сычев Ю.А., Хомяков К.А. Повышение эффективности электротехнических преобразовательных комплексов для питания электролизёров алюминия // Цветные металлы. 2016. №. 10. С. 49-53.
2. Козярук А.Е. Энергоэффективные электромеханические комплексы горнодобывающих и транспортных машин // Записки Горного института. 2016. Т. 218. С. 261-269.
3. Jafari A. et al. Comparison of wide-band-gap technologies for soft-switching losses at high frequencies // IEEE Transactions on Power Electronics. 2020. Т. 35. №. 12. С. 12595-12600.
4. Frivaldsky M., Pipiska M., Spanik P. Evaluation of the Perspective Power Transistor Structures on Efficiency Performance of PFC Circuit // Electronics. 2021. Т. 10. №. 13. С. 1571.
5. Parvez M. et al. Wide Bandgap DC-DC Converter Topologies for Power Applications //Proceedings of the IEEE. 2021.
6. Ульянов А.В., Шибеко Р.В. Применение SiC-транзисторов для построения силовых преобразовательных блоков // Современные наукоемкие технологии. 2021. № 8. С. 124-131.
7. Ngwashi D.K., Phung L.V. Recent review on failures in silicon carbide power MOSFETs // Microelectronics Reliability. 2021. Т. 123. С. 114169.
8. Chatterjee D., Mazumder S. K. EMI Mitigation of a Cuk-Based Power-Electronic System Using Switching-Sequence-Based Control // IEEE Transactions on Power Electronics. 2021. Т. 36. №. 9. С. 10627-10644.
9. Mao H. et al. Power Loss Investigation of Si-SiC Hybrid Switches in a Modular Multilevel Converter System // Journal of Physics: Conference Series. IOP Publishing, 2021. Т. 1754. №. 1. С. 012070.
10. Данилов О.А. и др. Способ снижения динамических потерь в полумостовой транзисторной схеме // Вестник Чувашского университета. 2020. №. 1. С. 89 - 95.
11. Воронцов А.Г., Глушаков В.В., Пронин М.В., Сычев Ю.А. Особенности управления каскадными преобразователями частоты // Записки Горного института. 2020. Т. 241. С. 37-45.
12. Шклярский Я.Э., Барданов А.И. Управление активным выпрямителем напряжения в составе частотно-регулируемого привода при провалах напряжения // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2018. Вып.. 4. С. 414-425.
Шпенст Вадим Анатольевич, д-р техн. наук, профессор, shpenstaspmi.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский горный университет,
Краснов Никита Вадимович, аспирант, nikita.krasnov.1997@mail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский горный университет
ANALYSIS OF APPLICATIONS OF SiC- AND GaN-TRANSISTORS IN POWER
CONVERTERS
V.A. Shpenst, N.V. Krasnov
The article considers the possibility of silicon carbide (SiC) and gallium nitride (GaN) transistors application as power converter switches. The benefits of these transistors operation, which favorably distinguish them in comparison with traditional silicon transistors, are presented, and the main disadvantages and problems in operation that prevent the widespread use of SiC and GaN transistors are identified. The disadvantages analysis is followed by the considerations about their overcoming.
Key words: SiC MOSFET, GaN MOSFET, converter, energy efficiency, parasitic effects.
Shpenst Vadim Anatolievich, doctor of technical sciences, professor, shpenst@spmi.ru, Russia, St. Petersburg, Mining University,
Krasnov Nikita Vadimovich, postgraduate, nikita.krasnov.1997@mail.ru, Russia, St. Petersburg, Mining University
УДК 621.31
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-5-331-344
РАСЧЕТНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНИКО-ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК КОНТАКТОВ БОРТОВОГО ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ЛЕГКОВОГО АВТОМОБИЛЯ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ УРОВНЯХ
НОМИНАЛЬНОГО НАПРЯЖЕНИЯ
У.В. Брачунова, В.Н. Козловский, М.В. Шакурский, К.В. Киреев
В работе представлены результаты расчетного исследования технико-эксплуатационных характеристик контактов бортового электротехнического комплекса легкового автомобиля при различных уровнях номинального напряжения бортовой сети.
Ключевые слова: легковой автомобиль, бортовой электротехнический комплекс, система электроконтактов.
В современном автомобиле число электрических контактов измеряется многими десятками. Принято различать [1] соединительные, служащие только для проведения тока, и коммутирующие контакты, на которые дополнительно возлагается задача отключения или переключения электрических цепей.
Для соединительных контактов характерно разделение на взаимно неподвижные неразъемные (пайка, сварка, болтовые соединения), взаимно подвижные (скользящие и катящиеся) и разъемные (штепсельные гнезда, разъемы и т.п.).
Коммутирующие (или разрывные) контакты составляют основную, наиболее многочисленную группу электрических соединений. Они используются в различного рода аппаратах (реле, контакторы, выключатели и т.п.) с механическим или электрическим приводом в маломощных и силовых цепях постоянного и переменного тока.
В автомобильных бортовых электротехнических комплексах насчитываются десятки различных типов реле, переключателей с одной или несколькими контактными парами, рассчитанными на токи от долей ампера до нескольких десятков и сотен ампер. Надежность их работы во многом определяет эксплуатационные показатели всей борт-сети автомобиля.
Электрические коммутационные контакты должны обеспечиавть:
высокую износостойкость;
надежное размыкание и замыкание электрической цепи;
требуемый ресурс работы в заданных условиях эксплуатации.
Рассмотрим влияние изменения номинального напряжения бортсети на работу коммутирующих контактов.
Работоспособность контактов определяется физическими процессами, происходящими в межконтактном промежутке. Процессы эти весьма сложны и зависят от многих факторов [2].
Электрические разряды, которые возникают на контактах при замыкании и размыкании, являются главной причиной двух основных видов разрушения контактов: химического (коррозия) связанного с окислением и другими реакциями материала контактов с окружающей газовой средой при высокой температуре контактных площадок, и физического (эрозии), вызванного плавлением, испарением, распылением материала контактов [3].
