Исследование производительности двунаправленного преобразователя мощностью 25 кВт с использованием МОП-транзисторов из SiC

Авторы статьи, представленной на международной выставке PCIM Europe 2024, исследовали возможность применения дискретных решений для применения в устройствах средней мощности.

В этой статье подробно описывается конструкция и анализ производительности двунаправленного преобразователя мощностью 25 кВт, созданного с использованием параллельно подключенных МОП-транзисторов из карбида кремния. В статье, представленной в этом году на международной выставке PCIM Europe Expo & Conference, авторы исследовали возможности дискретных решений для применения в устройствах средней мощности.

Дискретные устройства в сравнении с силовыми модулями

МОП-транзисторы из карбида кремния завоевали популярность в различных областях, таких как зарядные устройства для электромобилей и фотоэлектрические инверторы, во многом благодаря их превосходной скорости переключения, эффективности и тепловым свойствам. Хотя свойства делают эти МОП-транзисторы пригодными для работы в широком диапазоне мощностей, точное моделирование потерь имеет важное значение для надлежащей демонстрации их потенциала.

Однако, несмотря на все преимущества, коммерческие МОП-транзисторы из SiC обычно имеют максимальный номинальный ток около 120 А. Для удовлетворения необходимых требований к производительности при использовании в устройствах больших мощностей необходимы распараллеленные дискретные устройства или силовые модули.

Выбор между дискретными устройствами или силовыми модулями определяется такими критериями, как производительность, стоимость, размер и надежность. Силовые модули обеспечивают идеальную компоновку с минимальной паразитной индуктивностью, превосходной изоляцией и исключительными тепловыми характеристиками благодаря их передовой интеграции. Тем не менее, эти преимущества сопровождаются недостатками, заключающимися в больших габаритах и более высокой стоимости.

И наоборот, дискретные устройства с параллельным подключением имеют более экономичную и компактную конструкцию. Такой подход обеспечивает большую гибкость при выборе номинальных токов из ассортимента производителей полупроводников, что позволяет избежать чрезмерных размеров, которые могут негативно сказаться на производительности.

Проблема, связанная с параллельным подключением дискретных устройств, заключается в необходимости обеспечения точной симметрии схемы питания и привода для обеспечения сбалансированного распределения тока. Без такой симметрии производственные допуски в устройствах из SiC (включая различия в пороговом напряжении и сопротивлении во включенном состоянии) могут привести к дисбалансу в распределении тока. Эти дисбалансы влияют на проводимость и потери при переключении, причем последние особенно чувствительны к конструкции приводной схемы.

Предлагаемая архитектура двунаправленного преобразователя

Предлагаемый двунаправленный преобразователь имеет симметричную схему управления затвором с параллельным подключением МОП-транзисторов из SiC. Он специально разработан для управления мощностью 25 кВт с диапазоном входного/выходного напряжения от 300 до 600 В. Кроме того, он работает с частотой переключения 100 кГц.

В архитектуре двунаправленного преобразователя используется схема «полного моста» с тремя МОП-транзисторами из карбида кремния, подключенными параллельно к каждому коммутатору во входном и выходном портах. Используемые устройства относятся к типу IMZ120R030M1H от Infineon Technologies. При проектировании особое внимание уделяется симметрии маршрутов, связанных с управлением затворов, чтобы гарантировать равномерное распределение тока между параллельными устройствами.

Как показано на рис. 1а, силовой блок преобразователя имеет симметричную компоновку каналов управления затвором, что обеспечивает одинаковую длину каналов и одинаковые паразитные параметры. Такая конструкция сводит к минимуму потенциальный дисбаланс тока, который может возникнуть из-за асимметрии в схеме управления. Платы управления затворами и силовые блоки выполнены в модульном исполнении (см. рис. 1b), что позволяет легко отсоединять их и оценивать различные приводные решения.

Преобразователь также оснащен конденсаторами постоянного тока, выполненными по смешанной технологии, как пленочными, так и многослойными керамическими, что позволяет выдерживать высокий номинальный ток и улучшать характеристики коммутации. Многослойные керамические конденсаторы расположены близко к устройствам из SiC, что снижает паразитную индуктивность. В блок питания встроена схема предварительной зарядки для безопасной зарядки конденсаторов постоянного тока, предотвращающая высокие пусковые токи.

Общая архитектура двунаправленного преобразователя (см. рис. 1с) включает в себя силовые секции схемы «полных мостов» на входном и выходном портах, соединенных через высокочастотный трансформатор с внешним последовательным индуктором. Блоки управления затвором, измерения и контроля также интегрированы в конструкцию.

  Рис. 1: (а) Симметричное расположение путей управления затвором к трем параллельно подключенным устройствам из SiC; (b) преобразователь по схеме «полного моста» с соответствующими блоками управления затвора; (с) общая архитектура предлагаемого двунаправленного преобразователя

Приводные и измерительные блоки

Драйвер с одиночным затвором управляет всеми тремя параллельно подключенными МОП-транзисторами из SiC для каждого коммутатора. Драйверы с затвором созданы на базе макета платы от Analog Devices Inc. (ADI), что обеспечивает гибкость в решениях для управления, сохраняя при этом согласованную конструкцию блока питания. Для анализа производительности был выбран макет платы ADI MAX22701E, известный своей сверхвысокой синфазной устойчивостью к переходным процессам и встроенной цифровой гальванической изоляцией.

Измерительный блок контролирует напряжение, ток и температуру двунаправленного преобразователя, обеспечивая правильную работу и защиту от неисправностей. Большинство измерительных компонентов, в том числе для измерения напряжения и тока, контроля температуры и управления затвором, поставляются компанией ADI.

Блок управления сконструированный по заказу с использованием микроконтроллера STM32G484 фирмы STMicroelectronics. Этот блок расположен в центре между двумя полноценными мостами, а для минимизации электромагнитных помех используются экранированные кабели. Преобразователь управляется с помощью разомкнутой системы управления, основанной на модуляции с фазовым сдвигом. Специальный инструмент MATLAB взаимодействует с микроконтроллером, позволяя настраивать такие параметры, как частота переключения, направление потока мощности, время простоя и сдвига фазы.

Анализ эффективности

Эффективность предлагаемого двунаправленного преобразователя была проанализирована в ходе экспериментальных испытаний в различных условиях эксплуатации. Анализ проводился при испытаниях на малой мощности (до 5 кВт) и большой мощности (25 кВт) с акцентом на оценку электрических и тепловых характеристик.

Экспериментальная установка включает в себя различные приборы для контроля электрических и тепловых характеристик МОП-транзисторов из карбида кремния. Ключевыми компонентами установки являются:

• Два программируемых двунаправленных источника питания постоянного тока для питания входных/выходных портов преобразователя

• Семиканальный анализатор мощности для расчета входной/выходной мощности и общего КПД

• Осциллограф с частотой 1 ГГц для измерения напряжения и тока

• Дополнительный источник питания для питания компонентов в блоках управления и питания двунаправленного преобразователя

• Две тепловизионные камеры для мониторинга температурных градиентов в теплоотводах

• Регистратор данных для измерения температуры устройств из SiC с использованием терморезисторов NTC.

Такая настройка позволяет провести всестороннее тестирование работы двунаправленного преобразователя при различных входных/выходных напряжениях и мощности.

Тестирование на низкой мощности

Тестирование с низким энергопотреблением направлено на оценку распределения температуры между параллельно подключенными МОП-транзисторами из карбида-кремния с течением времени. Двунаправленный преобразователь работает на мощности около 5 кВт, что позволяет избежать необходимости принудительного охлаждения и позволяет точно контролировать температурные градиенты. Тестируются три варианта работы, при этом входное и выходное напряжения варьируются в диапазоне от 450 до 500 В.

Результаты показывают, что напряжения между затвором и источником в параллельно подключенных устройствах хорошо согласованы, что подтверждает эффективность симметричной компоновки. Тепловизионное изображение показывает, что температурный дисбаланс между устройствами минимален, а максимальный перепад составляет 2°C после 20 минут работы. Это свидетельствует о том, что симметричная конструкция эффективно уравновешивает тепловые и электрические нагрузки на устройства.

Испытания на высокой мощности

В ходе испытаний на высокой мощности оценивается производительность двунаправленного преобразователя при выходной мощности до номинальных 25 кВт. Из-за ограничений по тепловым характеристикам испытания проводятся с короткими интервалами и заканчиваются, когда максимальная температура устройств из SiC достигает 70°C. Входное и выходное напряжения устанавливаются равными 500 В, и преобразователь тестируется при выходной мощности 10, 15 и 25 кВт.

Результаты показывают, что симметричная компоновка продолжает хорошо работать при более высоких уровнях мощности, без существенных тепловых дисбалансов или асимметрии в сигналах управления затвором. Напряжения между затвором и источником во время включения и выключения остаются постоянными, а температурные градиенты остаются в допустимых пределах даже при увеличении мощности.

Анализ производительности двунаправленного преобразователя из карбида кремния мощностью 25 кВт демонстрирует целесообразность использования параллельно подключенных дискретных МОП-транзисторов из карбида кремния для применения в устройствах средней мощности. Симметричное расположение контуров управления затворами обеспечивает сбалансированное распределение тока между устройствами, сводя к минимуму риск возникновения теплового и электрического дисбаланса. Испытания преобразователя на малой и большой мощности подтвердили эффективность его конструкции и показали, что он может эффективно и надежно работать в различных условиях. Эта работа подчеркивает потенциал дискретных решений в устройствах средней мощности, предлагая экономичную и гибкую альтернативу силовым модулям.