SiC MOSFET لركوب قطار أكثر هدوءًا

في مؤتمر PCIM Europe 2023 الأخير ، قدم العديد من مصنعي أجهزة كربيد السيليكون وباحثين جامعيين خصائص الأداء لـ SiC MOSFETs عند تصنيف الجهد 3.3 كيلو فولت. يُنظر إلى هذا الجهد بشكل متزايد على أنه مفتاح لتلبية العديد من التطبيقات المستقبلية ، مثل تحويل طاقة الشبكة ذات الجهد المتوسط ​​بجهد موصل بجهد 1500 فولت ، والخلايا الكهروضوئية ومحولات الطاقة المتجددة للرياح ، فضلاً عن محولات الجر للسكك الكهربائية. في هذه المقالة ، سنناقش وحدات SiC MOSFET الجديدة بقدرة 3.3 كيلوفولت من Infineon Technologies التي يمكنها إجراء تحسينات كبيرة في أنظمة الجر الحديثة بالسكك الحديدية.

نظام الجر بالسكك الحديدية

يوضح الشكل 1 مخطط كتلة مبسط لمتطلبات تحويل الطاقة في تطبيق قطار كهربائي. تجد أجهزة SiC تطبيقات في المقومات اللازمة لتحويل طاقة التيار المتردد الواردة من الخطوط العلوية إلى جهد رابط DC ، والمحولات لتحويل طاقة وصلة DC هذه إلى المحركات ومحولات DC / DC اللازمة لأنظمة الطاقة الإضافية ، وفي حالة قطارات الدفع الهجينة أو البطاريات الموجودة على متن الطائرة أو خلايا وقود الهيدروجين. بعض المتطلبات الرئيسية لهذا التطبيق هي:

• كثافة طاقة عالية وكفاءة في استخدام الطاقة ، مما يضمن احتياجات تبريد أقل وقدرة نقل أكبر
• عمر طويل (> 30 عامًا) بموجب ملف تعريف للمهمة يتطلب تغييرات متكررة في مستوى الطاقة من مرحلتي التسريع والكبح للقطار
• استخدام وحدات طاقة معيارية قابلة للتطوير لمستويات الطاقة المختلفة الموضحة في الشكل 1
• على وجه التحديد بالنسبة لـ SiC MOSFET المستخدمة هنا ، التبديل السريع مع التجاوزات المنخفضة أثناء التحولات ، بالإضافة إلى الحماية القوية من ماس كهربائى والصلابة الحالية لضمان تلبية مواصفات سلامة الوحدة

3.3 كيلوفولت CoolSiC MOSFET

تعمل وحدة CoolSiC MOSFET بقدرة 3.3 كيلوفولت المستخدمة في وحدات الطاقة هذه على تعزيز سنوات الخبرة العديدة التي تتمتع بها Infineon في فئة الجهد المنخفض لوحدات CoolSiC MOSFET. كما هو مبين في الشكل 2 أ ، هذه هي MOSFET الخنادق التي تستفيد من زيادة حركة القناة على طول المستوى A المفضل (11-20). هذا يحسن المقاومة المحددة على الدولة (R_{DS (تشغيل)}) مقارنة بجهاز MOSFET مستوٍ. أكسيد البوابة السميك يضمن موثوقية جيدة.

كما هو مبين في الشكل 2 ب ، يجب تحسين منطقة JFET لجهاز 3.3 كيلو فولت من أجل R_{DS (تشغيل)} تحسينات. تم ذلك بالتزامن مع تحسين سعات الجهاز ووقت تحمل ماس كهربائى (tsc). كان من الممكن إجراء تخفيضات متزامنة في تيار تشبع الجهاز (Isat) ونسبة تصريف بوابة Miller إلى سعات مصدر البوابة (Cgd / Cgs) من خلال ضبط الغرسة العميقة p. تزيد نسبة Cgd / Cgs المنخفضة من انتقالات dV / dt لتقليل خسائر التبديل مع تقليل التجاوزات التي تظهر على البوابة وإعطاء هامش أكبر لمنع التشغيل الطفيلي للجهاز. يتم استخدام الصمام الثنائي للجسم MOSFET الداخلي للتبديل. نظرًا لعدم استخدام الصمام الثنائي Schottky بشكل متوازٍ ، يمكن تحسين منطقة شريحة MOSFET الإجمالية من أجل التصنيف الحالي للوحدة مع الحصول أيضًا على تصنيف تيار أعلى.²

06.15.2023

06.15.2023

06.12.2023

3.3 كيلوفولت CoolSiC MOSFETs في حزمة XHP2 بتقنية .XT

تتناول حزمة وحدة الطاقة XHP2 فئات الجهد من 1.7 كيلو فولت إلى 3.3 كيلو فولت لكل من السيليكون IGBTs و SiC MOSFETs. تعمل هذه الحزمة على تحسين تخطيط وتصميم محطات DC (±) وشريط الناقل من أجل محاثة ضالة لوحدة منخفضة تبلغ Ls ~ 10 nH.² في تطبيق عاكس الجر ، يمكن لمتطلبات تدوير الطاقة أن تخلق ضغطًا على التوصيلات البينية وتحد من عمر الوحدة. تقنية .XT ، التي تم تطبيقها لأول مرة في وحدات IGBT الخاصة بشركة Infineon ،⁴ يستخدم لأجهزة CoolSiC بقوة 3.3 كيلوفولت الموجودة في وحدات XHP2. كما هو مبين في الشكل 3 ، يتميز .XT بالتعدين بالنحاس (Cu) على الجانب الأمامي لقوالب SiC ، جنبًا إلى جنب مع أسلاك رابطة النحاس الثقيلة. يتم تقليل المقاومة الحرارية ، وبالتالي تحسين دورة الطاقة.

بعض الميزات الرئيسية للوحدة الشاملة موضحة في الشكل 4. إن FF2000UXTR33T2M1 عبارة عن وحدة 2 متر مكعب تم تصنيفها لتيار اسمي يبلغ 1000 أمبير ، في حين أن FF2600XTR33T2M1 عبارة عن وحدة قياس 2.6 متر مكعب مصنفة عند 750 ألف. تصنيف العزلة (V_ISOL) من 6 كيلو فولت ومحاثة شاردة Ls ~ 10 nH.

أداء التحويل لوحدات XHP2 بقدرة 3.3 كيلوفولت

يوضح الشكل 4 أداء التحويل للوحدة عند 25 درجة مئوية و 150 درجة مئوية في ظل ظروف التشغيل الاسمية لـ I_DS = 1،000 أ ، الخامس_DS = 1800 فولت ، فولت_ع = 15 V / –5 V و Ls = 30 nH. تم قياس تشغيل di / dt = 7 kA / µs وإيقاف تشغيل dV / dt = 17.5 kV / s باستخدام اختيار مقاومة البوابة المستخدمة لضمان خصائص التبديل الآمنة.

لتقييم الزيادة في كثافة الطاقة ، تمت مقارنة CoolSiC بقدرة 3.3 كيلوفولت في XHP2 مع وحدة IGBT سعة 3.3 كيلوفولت بنفس مساحة الوحدة البالغة 140 × 100 مم (FF450R33T3E3).⁶ تم إجراء نتائج المحاكاة الموضحة في الشكل 6 (أ) بجهد وصلة DC يبلغ 1800 فولت ودرجة حرارة تقاطع تشغيلية تبلغ T_vj = 125 درجة مئوية. يوضح أنه عند تردد تبديل 4 كيلو هرتز ، أنتجت وحدة SiC 7.3 × أعلى I_{جذر متوسط ​​التربيع} القيمة (Irms_2 في الشكل 6) ، مقارنة بقيمة Irms_1 الناتجة عن السيليكون IGBT.

بمقارنة خسائر التبديل ، عند 4 كيلو هرتز ، أنتجت IGBT 561 مللي جول من الخسارة ، على الرغم من أنها I_{جذر متوسط ​​التربيع} الحالي أقل بكثير ، مقارنة بفقدان 395 مللي جول من SiC MOSFET. إذا تم تشغيل SiC MOSFET في المستوى السفلي I_{جذر متوسط ​​التربيع} قيمة IGBT ، ستكون خسائرها 9.3 × أقل من خسائر IGBT. يمكن أن يؤدي تقليل الأوقات الميتة أثناء التصحيح المتزامن في المحول إلى تقليل خسائر الاسترداد العكسي ، خاصة في درجات الحرارة المرتفعة ، وبالتالي تقليل خسائر التشغيل. على سبيل المثال ، يمكن أن يؤدي استخدام الوقت الميت 1-µs مقارنة بـ 5 s إلى زيادة I_{جذر متوسط ​​التربيع} الناتج الحالي بنسبة تصل إلى 12٪ بتردد تبديل يبلغ 10 كيلو هرتز.⁶

نتائج التجارب الميدانية لوحدة CoolSiC XHP2 بقدرة 3.3 كيلوفولت للجر بالسكك الحديدية

تم إجراء تجربة ميدانية مشتركة في عام 2022 بواسطة Siemens Mobility و Stadtwerke München (SWM) على عربة ترام في ميونيخ تم تجهيزها بوحدات الطاقة CoolSiC XHP2 بقدرة 3.3 كيلو فولت لعاكس الجر. تم إجراء هذا الاختبار لمدة عام واحد ، يغطي مساحة إجمالية قدرها 65000 كم. أظهرت نتائج هذه الاختبارات تحسنًا بنسبة 10٪ في كفاءة الطاقة ، كما هو مبين في الشكل 7. يتراوح وزن وحجم تقليل المحول ونظام الجر بين 10٪ و 25٪.⁷ نظرًا لأنه يلزم تبديد حرارة أقل باستخدام SiC ، يمكن استخدام المبادلات الحرارية الأصغر بمعدلات تدفق هواء منخفضة ، مما يساعد على تحسين السحب الديناميكي الهوائي في القطار. أحد التحسينات من وجهة نظر راحة الركاب هو الركوب الأكثر هدوءًا الذي تم تمكينه بواسطة SiC. يأتي هذا من الجمع بين تردد التبديل الأعلى في محول الجر ووحدات التبادل الحراري الأصغر. ستستفيد القطارات التي تعمل على نظام دفع هجين (مثل استخدام البطاريات أو خلايا وقود الهيدروجين لمصدر الطاقة) لبعض أجزاء المسار التي لا تحتوي على خطوط طاقة إدخال التيار المتردد (أي خالية من سلسال) من SiC- عاكس الجر القائم على أساس المزايا المذكورة أعلاه. هذا يمكن أن يترجم إلى أميال ممتدة خالية من سلسال.

مراجع

¹شو ، ك. (2023). “3.3 كيلو فولت CoolSiC XHP2.” PCIM.

²ليندرتس ، سي (2023). “تصميم رقاقة CoolSiC MOSFET لفئة 3.3 كيلو فولت.” PCIM.

³برجر ، م. (2023). “وحدة XHP 2 الجديدة باستخدام 3.3kV CoolSiC MOSFET و. XT Technology.” PCIM.

⁴بريكيل وآخرون آل. (2020). “XHP2: الغلاف منخفض الحث ومتعدد الحزم للجيل التالي من التطبيقات عالية الطاقة.” PCIM.

⁵شيشون ، ج. (2023). “تحليل أداء جهاز PEBB مع تبريد عالي الطاقة 3.3 كيلو فولت في XHP2 لأنظمة جر السكك الحديدية الحديثة.” PCIM.

⁶جادهاف ، ف. (2023). “نظام محول الجر الفعال والمحسّن الذي تم تمكينه بواسطة CoolSiC Mosfet الجديد بقدرة 3.3 كيلو فولت و .XT في حزمة XHP 2.” PCIM.

⁷التنقل سيمنز. (2023). “كربيد السيليكون – مادة يحلم بها المطورون.”

حصل Sonu Daryanani على درجة الدكتوراه. حصل على درجة الدكتوراه في هندسة الإلكترونيات عام 1993 من جامعة برادفورد بإنجلترا أثناء إجراء بحث في مختبرات AT&T Bell ، نيوجيرسي على الإلكترونيات الضوئية GaAs. على مدار الـ 25 عامًا الماضية ، كان مهندسًا لتكامل الأجهزة / العمليات في Microchip Technology ، AZ حيث عمل على وحدات التحكم الدقيقة والأجهزة المنفصلة. وهو الآن مستشار وكاتب في PowerElectronics News. يمكن الوصول إليه على sldaryanani@gmail.com