Система CoolSiC BDS от Infineon напряжением 750 В сочетает в себе двунаправленный поток энергии, надежную работу SiC и корпус с охлаждением сверху для преобразования энергии.
На выставках силовой электроники многие компании говорят о двунаправленном переключении.
Многим системам требуется управляемый поток энергии в обоих направлениях, от систем зарядки электромобилей и солнечных аккумуляторов до систем преобразования энергии постоянного тока высокого напряжения на уровне стойки, плавких предохранителей и схем предварительной зарядки. В более традиционной конструкции инженеры добиваются двунаправленной блокировки с помощью двух дискретных МОП-транзисторов в конфигурации с расположением вплотную. Но такой подход увеличивает количество компонентов, площадь платы, координацию между затвором и приводом, паразитные эффекты, а также усложняет конструкцию из-за электромагнитных помех и тепловых воздействий.
В этой статье мы рассмотрим новейшие «первые в отрасли» двунаправленные переключатели из карбида кремния (SiC) от Infineon Technologies, построенные по технологии CoolSiC G2 напряжением 750 В для преобразования энергии с высокой плотностью. Технология сочетает в себе двунаправленную блокировку и проводимость в одном компактном устройстве за счет интеграции двух матриц SiC-МОП-транзисторов в вертикально интегрированную конфигурацию с общим стоком.
Компания Infineon заявляет, что линейка устройств будет охватывать значения RDS(on) от 14 Мом до 66 Мом и предназначена для устройств, где необходимо учитывать двунаправленный поток энергии, прочность и тепловые характеристики одновременно. Инженеры по силовой электронике должны оценить это устройство как новый коммутационный элемент, который влияет на топологию, привод затвора, компоновку, электромагнитные помехи, защиту и охлаждение.
«Двунаправленные переключатели переходят от нишевой концепции к жизнеспособной замене дискретных коммутаторов в конфигурации с расположением вплотную в двунаправленных системах высокой плотности. Infineon является эталоном на рынке технологий двунаправленных коммутаторов и позиционируется как единственный поставщик, предлагающий решения двунаправленных переключателей в технологиях CoolSiC и CoolGaN», - говорит Жолт Гиймеси, старший менеджер по маркетингу продуктов Infineon Technologies.
Прочность занимает центральное место в двунаправленных переключателях на базе SiC
Компания Infineon подчеркнула надежность своего двунаправленного переключателя по технологии CoolSiC напряжением 750 В, поскольку он предназначен для систем электроснабжения, которые сталкиваются с длительным напряжением, быстрыми переходными процессами нагрузки, превышением напряжения, термоциклированием и аварийными ситуациями. К ним относятся источники питания для искусственного интеллекта, высоковольтное преобразование постоянного тока в стойку, зарядка электромобилей, системы солнечных аккумуляторов, системы кондиционирования воздуха, промышленные приводы и твердотельная защита.
Но при всем этом эффективность остается важной. Устройство, снижающее потери на проводимость и коммутацию, должно по-прежнему выдерживать условия эксплуатации в течение ожидаемого срока службы системы. Для операторов подзарядки электромобилей, монтажников солнечных батарейных накопителей и проектировщиков центров обработки данных поломка в полевых условиях может привести к затратам на техническое обслуживание, простоям и перебоям в обслуживании.
«Надежность и неприхотливость имеют первостепенное значение там, где устройства подвергаются постоянным нагрузкам в течение длительного периода эксплуатации. Инженерам нужны компоненты, способные круглосуточно поддерживать работоспособность при больших нагрузках, быстрых переходных процессах и экстремальных температурных режимах», - отмечает Гьимеси.
Двунаправленные переключатели на основе SiC от Infineon обладает возможностью отключения при напряжении 840 В, что обеспечивает дополнительный запас прочности для системы, работающей при напряжении шины выше 500 В. Это имеет решающее значение в системах электроснабжения, где колебания напряжения на линии, переходные процессы или энергия, запасенная в паразитной индуктивности, могут привести к повышению напряжения. В системах с подключением к сети и в системах большой мощности такой запас напряжения может стать важным, поскольку проектировщики пытаются сбалансировать эффективность, компактность и защиту.
Номинальное напряжение dv/dt 200 В/нс является еще одной важной характеристикой, указывающей на то, что двунаправленные переключатели на основе SiC от Infineon предназначен для работы в условиях быстрой коммутации. Высокая производительность dv/dt позволяет работать на более высоких частотах и снижать потери при переключении. Однако режим переключения по-прежнему зависит от компоновки печатной платы, индуктивности коммутационного контура, емкости соединения, конструкции затворного контура и схемы подключения источника питания. Рейтинг обеспечивает разработчикам гибкость, но не устраняет необходимость тщательного контроля паразитных помех.
Infineon подчеркивает, что время защиты от короткого замыкания составляет 2 мкс, а при температуре соединения до 200°C оно выдерживает перегрузку в течение 100 часов. Время защиты от короткого замыкания дает цепи защиты ограниченное время для обнаружения неисправности и реагирования на нее. Перегрузочная способность при температуре 200 °C обеспечивает конструкторам дополнительную гибкость при аномальных или кратковременных тепловых нагрузках.
«Устройство также обладает лавинообразной энергетической устойчивостью (мощность одиночного импульса ~800 МДж). Это означает, что устройство может поглощать индуктивные скачки напряжения, например, когда энергопотребление серверной стойки для искусственного интеллекта внезапно падает, что приводит к перегрузке, без сбоев», - добавляет Гиймеси.
Infineon устанавливает стандартное пороговое значение в 4,5 В при температуре 25°C и сверхнизком соотношении QGD/QGS. Расширенный допуск переходного смещения затвора с -11 В до +25 В также обеспечивает дополнительную защиту от перегрузки затвора и напряжения, связанного с переключением. Эти параметры важны, поскольку нежелательное включение, звон затвора и кратковременное напряжение затвора могут стать серьезными рисками для надежности.
«Инженеры должны рассматривать эти технические характеристики как показатели проектного запаса прочности при динамических переключениях и неисправностях, а не как причину ослабления защиты на системном уровне», - подчеркивает Гьимеси.
Разница между SiC и GaN-двунаправленными переключателями
Infineon позиционирует двунаправленные переключатели по технологиям CoolSiC и CoolGaN как взаимодополняющие платформы. Обе они решают одну и ту же архитектурную задачу – заменить дискретные схемы последовательной коммутации на более интегрированную функцию двунаправленной коммутации. Однако эти две технологии не взаимозаменяемы. Наилучший выбор зависит от требований к напряжению, частоте, тепловым характеристикам и надежности преобразователя.
В SiC-двунаправленных переключателях от Infineon используется двухполюсниковая конструкция с двумя переключателями на базе SiC, объединенными в конфигурацию с общим стоком, как объяснялось ранее. В отличие от этого, двунаправленные переключатели по технологии CoolGaN имеет монолитную интеграцию (рис. 2). Изменения связаны с базовыми технологиями устройств и приводят к различным инженерным компромиссам. Монолитная конструкция на базе GaN поддерживает компактный двунаправленный переключатель с высокочастотными характеристиками, в то время как SiC более тесно связан с характеристиками по напряжению, току, прочности и тепловым характеристикам в энергосистемах с высокой нагрузкой.
Например, GaN-двунаправленный переключатель класса 650 В подходит для применений, где очень высокая частота, компактность и высокая степень интеграции являются основными конструктивными факторами. GaN привлекателен в таких случаях использования, когда основными целями являются уменьшение размеров пассивных устройств, увеличение скорости переключения и упрощение архитектуры компактных преобразователей. Но двунаправленные переключатели по технологии CoolSiC напряжением 750 В предназначен для устройств, требующих более высоких значений напряжения и тока, большего теплового запаса, длительной работы при больших нагрузках и отказоустойчивости.
Q-DPAK с верхним охлаждением
Упаковка SiC-двунаправленных переключателей от Infineon также представляет собой выгодное предложение. Объединение двух переключателей в одном устройстве позволяет концентрировать тепло. Но в двунаправленном переключателе на базе SiC от Infineon напряжением 750 В используется пакет Q-DPAK с верхним боковым охлаждением для создания прямого теплового канала от устройства к распределителю тепла или радиатору. Это особенно важно для систем с высокой плотностью питания, где печатная плата не может использоваться в качестве основного канала отвода тепла.
«Две микросхемы внутри корпуса Q-DPAK оптимально расположены в корпусе, что позволяет наилучшим образом использовать оптимизированную сторону корпуса. Кроме того, технология пайки .XT обеспечивает превосходные тепловые характеристики», - объясняет Гиймеси.
Он продолжает:
«В сочетании с плотным контуром питания и тщательным размещением расположенных рядом пассивных элементов и элементов привода ворот интеграция может улучшить как тепловые, так и электрические характеристики, а не вынуждать к компромиссу между ними».
Для инженеров пакет TSC для поверхностного монтажа также может обеспечить более компактную компоновку силовых каскадов, более эффективное использование площади печатной платы и более плотное размещение привода затвора и пассивных компонентов.
«Технический момент заключается в том, что интеграция корпуса должна оцениваться как часть целостной тепловой системы: полупроводник, корпус, печатная плата, материал интерфейса, радиатор и корпус», - говорит Гьимеси.
Забегая вперед
Двунаправленные переключатели по технологии CoolSiC от Infineon напряжением 750 В демонстрирует, как двунаправленная коммутация продвигается к созданию более удобного для применения блока питания. Характеристики надежности объясняют, почему Infineon ориентируется на такие требовательные приложения, как источники питания искусственного интеллекта, зарядка электромобилей, системы солнечных аккумуляторов, промышленная энергетика и твердотельная защита.
Сравнение с двунаправленными переключателями по технологии CoolGaN показывает, что выбор сделан не между SiC и GaN. Но какое устройство лучше всего соответствует требованиям преобразователя к напряжению, частоте, тепловым характеристикам и надежности? Для инженеров возможность заключается в перепроектировании блока питания с учетом двунаправленного переключения, прочности SiC, охлаждения сверху и более тесной электрической и тепловой интеграции.
