Performanțele pe care dispozitivele din carbură de siliciu (SiC) le aduc vehiculelor electrice (EV) și aplicațiilor solare fotovoltaice (PV) sunt bine cunoscute. Avantajele materiale oferite de SiC pot fi exploatate și în alte aplicații, printre care protecția circuitelor este una dintre acestea. Articolul trece în revistă evoluțiile din acest domeniu, inclusiv aspectele pozitive oferite de protecția mecanică comparativ cu întrerupătoarele de circuit cu stare solidă (SSCB) implementate cu diferite dispozitive semiconductoare. La final, se analizează motivele pentru care SiC va deveni o opțiune din ce în ce mai atractivă pentru SSCB-uri.
Protecția infrastructurii și echipamentelor electrice
Sistemele de transmisie și distribuție a energiei electrice și echipamentele sensibile necesită protecție împotriva suprasarcinilor prelungite și a condițiilor tranzitorii de scurtcircuit. Având în vedere că sistemele electrice și vehiculele electrice utilizează tensiuni din ce în ce mai mari, curenții de defect potențiali maximi sunt mai mari ca niciodată. Protecția împotriva acestor curenți de defect de mare intensitate necesită întrerupătoare de circuit de curent alternativ (AC) și curent continuu (DC) ultra-rapide. În timp ce întrerupătoarele mecanice au fost, până acum, cea mai populară alegere pentru acest tip de aplicații, cerințele de funcționare din ce în ce mai exigente au făcut ca întrerupătoarele de circuit bazate pe semiconductori să devină mai populare. Denumite, în general, întrerupătoare de circuit cu stare solidă, acestea au mai multe avantaje față de abordările mecanice:
Robustețe și fiabilitate: Întrerupătoarele de circuit mecanice conțin părți mobile, ceea ce le face fragile. Acest lucru înseamnă că pot fi sparte cu ușurință sau se pot declanșa accidental din cauza mișcării și sunt supuse uzurii de fiecare dată când sunt resetate pe parcursul vieții lor. În schimb, deoarece SSCB nu conțin părți mobile, acestea sunt mai robuste și mult mai puțin susceptibile la deteriorări accidentale, ceea ce le permite să fie utilizate în mod repetat, de-a lungul a mii de cicluri.
Flexibilitate la temperatură: Temperatura de operare a întrerupătoarelor mecanice depinde de materialul utilizat în construcția lor, care o limitează, în timp ce temperatura de operare a SSCB este mai mare decât cea a întrerupătoarelor mecanice, putând, totodată, fi reglată.
Configurare de la distanță: Odată declanșat, o persoană trebuie să reseteze manual un întrerupător mecanic, ceea ce poate necesita mult timp și poate fi costisitor, în special atunci când este extins la scară largă în mai multe instalații, și poate avea, de asemenea, implicații asupra siguranței. SSCB-urile pot fi resetate de la distanță folosind o conexiune cu fir sau fără fir (wireless).
Comutare mai rapidă și fără arcuri electrice: Atunci când un întrerupător mecanic este comutat, pot apărea arcuri electrice și fluctuații de tensiune suficient de mari pentru a deteriora echiamentele. Efectele acestor vârfuri de tensiune inductivă și ale curenților de pornire (inrush) capacitivi pot fi evitate cu ajutorul metodelor soft-start din SSCB, cu o comutare mult mai rapidă, de ordinul a câtorva microsecunde, în cazul apariției unui defect.
Curent nominal flexibil: Întrerupătoarele mecanice au o valoare nominală de curent fixă, în timp ce valorile nominale de curent sunt programabile pentru SSCB.
Dimensiuni și costuri reduse: În comparație cu întrerupătoarele mecanice, SSCB-urile reduc greutatea, sunt semnificativ mai ușoare și ocupă mai puțin spațiu.
Limitări ale SSCB-urilor existente
În timp ce dispozitivele SSCB au avantaje față de întrerupătoarele mecanice, acestea prezintă, totuși, unele dezavantaje, inclusiv valori nominale limitate de tensiune/curent, pierderi de conducție mai mari și sunt mai scumpe. SSCB-urile se bazează, de obicei, pe TRIAC-uri (redresoare controlate cu siliciu) pentru aplicațiile de curent alternativ sau pe MOSFET-uri planare standard pentru sistemele de curent continuu. TRIAC-urile sau MOSFET-urile implementează funcția de comutare, în timp ce driverele izolate optic acționează ca element de control. Cu toate acestea, SSCB-urile bazate pe MOSFET de curent mare necesită radiatoare pentru curenți de ieșire mari, ceea ce înseamnă că nu pot realiza aceleași niveluri de densitate de putere ca și întrerupătoarele mecanice.
Similar, sunt necesare, de asemenea, radiatoare pentru SSCB-urile implementate cu ajutorul tranzistoarelor bipolare cu poartă izolată (IGBT), unde tensiunea de saturație provoacă pierderi excesive de putere pentru curenți care depășesc câteva zeci de amperi. De exemplu, la 500 de amperi, o cădere de tensiune de 2V pe un IGBT ar disipa 1000W. Pentru această cantitate de putere, un MOSFET ar avea nevoie de o rezistență ON de aproximativ 4 mΩ. Acest nivel de rezistență nu este realizabil în prezent cu dispozitive simple, cu valori nominale de tensiune care se îndreaptă acum spre 800V (și mai mult) la vehiculele electrice. Deși, teoretic, această cifră ar putea fi realizată prin conectarea dispozitivelor în paralel, o astfel de abordare ar crește substanțial dimensiunea și costul soluției, cu atât mai mult în cazul în care trebuie să fie acomodat fluxul de curent bidirecțional.
Utilizarea modulelor de putere SiC pentru realizarea SSCB-urilor de ultimă generație
Figura 1: Lanțul de aprovizionare complet de la un capăt la altul al onsemi privind soluțiile bazate pe carbură de siliciu (SiC). (Sursă imagine: onsemi)
O pastilă SiC poate fi de până la zece ori mai mică decât echivalentul ei din siliciu pentru aceeași tensiune nominală și aceeași rezistență ON. În plus, dispozitivele SiC pot comuta de cel puțin o sută de ori mai repede și pot opera la temperaturi de vârf mai mult decât duble față de cele ale siliciului. În același timp, conductivitatea ei termică superioară o face mai robustă la niveluri inferioare mai mari. onsemi a exploatat aceste proprietăți în gama sa de module de putere EliteSiC, cu valori ale rezistenței ON de până la 1,7mΩ pentru dispozitivele de 1200 V. Aceste module integrează între două și șase MOSFET-uri SiC într-o singură capsulă.
Tehnologia ‘die’ sinterizată (care unește două pastile de siliciu (die) individuale în interiorul unei capsule) oferă o performanță fiabilă a produsului chiar și la niveluri ridicate de putere. Comportamentul de comutare rapidă al acestui dispozitiv și conductivitatea termică ridicată îi permit să “declanșeze” (să deschidă circuitul) rapid și sigur o aplicație finală în cazul apariției unei defecțiuni, oprind fluxul de curent până la restabilirea condițiilor normale de funcționare. Astfel de module arată că este din ce în ce mai posibil să se integreze mai multe dispozitive MOSFET SiC într-o singură capsulă pentru a oferi valorile scăzute ale rezistenței ON și factorii de formă mici necesari pentru aplicațiile practice de întrerupătoare de circuit. În plus, onsemi oferă MOSFET-uri EliteSiC și module de putere care rezistă la tensiuni cuprinse între 650V și 1700V, ceea ce înseamnă că acestea pot fi adaptate și pentru SSCB-uri pentru aplicații casnice, comerciale și industriale monofazate și trifazate. Lanțul de aprovizionare SiC integrat vertical al onsemi oferă producătorilor de SSCB-uri produse cu defecte aproape zero, care sunt supuse unor teste de fiabilitate exhaustive.
Figure 2: Figura 2: Modul SiC B2B pentru întrerupător de circuit cu stare solidă -480VAC, -200A. (Sursă imagine: onsemi)
Figura 2 prezintă implementarea SSCB-urilor într-un modul cu mai multe pastile SiC de 1200 V și mai multe switch-uri în paralel într-o configurație ‘back to back’ pentru a obține cea mai mică valoare rdson și disipații termice optimizate. Modulele complet integrate precum cele de mai jos, cu poziționarea și dispunerea optimizată a pinilor, vor contribui la reducerea efectelor parazite și la îmbunătățirea performanțelor de comutare și a timpilor de răspuns la defecțiuni. onsemi oferă un portofoliu larg de module SIC cu valori nominale de 650V, 1200V și 1700V, cu module cu placă de bază și fără placă de bază, în funcție de cerințele aplicațiilor finale și de nevoile de eficiență.
Figure 3: Figura 3: Module onsemi care se adresează aplicațiilor SSCB F2 PIM (fără placă de bază – fig-3a) Q2 PIM (cu placă de bază – fig-3b). (Sursă imagine: onsemi)
SiC-urile și SSCB-urile vor evolua în paralel
Întrerupătoarele mecanice au pierderi de putere reduse și o densitate de putere mai mare și sunt în prezent mai puțin costisitoare decât SSCB-urile. Cu toate acestea, ele sunt predispuse la uzură din cauza utilizării repetate și necesită o întreținere manuală costisitoare asociată cu resetarea sau înlocuirea lor. Cererea de întrerupătoare de circuit și de dispozitive SiC va continua să crească odată cu sporirea numărului de vehicule electrice, ceea ce va face ca această tehnologie cu bandă interzisă largă să fie din ce în ce mai competitivă din punct de vedere al costurilor și va crește atractivitatea utilizării sale în soluțiile SSCB. Pe măsură ce tehnologia de procesare SiC avansează și rezistența MOSFET-urilor SiC de sine stătătoare scade și mai mult, ajungând în cele din urmă la niveluri comparabile cu cele ale întrerupătoarelor mecanice, pierderile de putere nu vor mai reprezenta o problemă. Oferind beneficiile unei comutări rapide, fără arcuri electrice și economii semnificative de costuri prin întreținere zero, SSCB-urile construite din dispozitive bazate pe SiC vor deveni, inevitabil, un standard.
Autor:
Sravan Vanaparthy,
Senior Director, Industrial Solutions Business Unit, Power Solutions Group, onsemi
