На мероприятии «Форум разработчиков широкой запрещенной зоны», организованном компанией Infineon Technologies, специальная презентация дала глубокое понимание потенциального рынка, на который ориентированы силовые модули из SiC напряжением 2,3 кВ, и охватила технические аспекты, такие как распараллеливание силовых модулей.
Переход на возобновляемые источники энергии больше не является обязательным. Глобальные инициативы, например, Парижское соглашение и целевые показатели по нулевому потреблению энергии, требуют быстрого и эффективного отхода от угольной энергетики. В основе этого перехода лежат ветровые, солнечные и аккумуляторные батареи, но их успех зависит от эффективной силовой электроники.
Технология карбида кремния значительно продвинулась на рынке преобразования энергии, представляя собой лучшее решение по сравнению с МОП-транзисторами из кремния и биполярными транзисторами с изолированным затвором (БТИЗ). По мере развития технологии SiC ее применение продолжает расширяться, особенно в таких мощных системах, как ветряные электростанции и аккумуляторные системы хранения энергии.
По сравнению с традиционными силовыми кремниевыми устройствами, приборы из SiC обладают более высокой эффективностью благодаря меньшим потерям и уменьшенному расходу энергии. Для работы преобразователя требуется высокое входное напряжение, и сегодня предлагаются модули из SiC напряжением 2,3 кВ, что снижает потребность в сложных многоуровневых преобразователях. Новое поколение силовых модулей из SiC обеспечивает повышенную удельную мощность, что приводит к созданию более компактных конструкций, уменьшению размеров системы и снижению веса. Кроме того, карбид кремния более безопасно выдерживает высокие температуры, что приводит к лучшему отводу тепла, снижению требований к охлаждению и повышению надежности.
Что движет рынком энергетических модулей из SiC?
Ожидается, что рынок энергетических модулей из SiC будет неуклонно расти благодаря увеличению количества ветряных электростанций и расширению сетевых систем хранения энергии, что подкрепляется политикой, направленной на электрификацию и сокращение выбросов углекислого газа.
На мероприятии «Форум разработчиков широкой запрещенной зоны», организованном компанией Infineon Technologies, специальная презентация дала глубокое понимание потенциального рынка, на который ориентированы силовые модули из SiC напряжением 2,3 кВ, и охватила технические аспекты, такие как распараллеливание силовых модулей.
Согласно прогнозу глобального рынка ветроэнергетики от компании Wood Mackenzie за 4 квартал 2024 года, в 2024 году было добавлено около 120 ГВт-ч ветроэнергетических мощностей, в результате чего глобальная установленная мощность ветроэнергетики превысила 1200 ГВт. В том же отчете прогнозируется увеличение мощности на 200 ГВт-ч в 2030 году, из которых 50%, как ожидается, будет задействовано в Китае, при среднегодовом росте более чем на 6%.
Что касается аккумуляторных систем хранения энергии, то S&P Global, еще одна фирма, специализирующаяся на маркетинговых исследованиях и аналитике, прогнозирует, что общая установленная мощность в 2025 году составит 222 ГВтч, а в 2029 году, по прогнозам, достигнет 1303 ГВтч, что отражает совокупный годовой рост на 33%. Стоит отметить, что 87% этой мощности приходится на системы «электроэнергии, вырабатываемой за пределами объекта, вдали от точки потребления», которые расположены перед счетчиком (напрямую подключены к электросети), в отличие от «энергетических систем, расположенных на стороне потребителя у счетчика», обслуживающих потребителя. Это различие существенно влияет на характеристики, требуемые от силовых устройств в силовом каскаде.
Серия CoolSiC от Infineon и технология .XT
Технология траншейного затвора SiC от Infineon в сочетании с собственной разработкой .XT использует силовые модули, специально разработанные для ветряных турбин и аккумуляторных систем хранения энергии. По данным компании, ее технология МОП-транзисторов из SiC основана на прочном встроенном диоде, который имеет решающее значение для мостовых топологий и продемонстрировал выдающуюся долговременную надежность в полевых условиях.
Надежность имеет важное значение для систем, которые должны эффективно работать в течение длительного срока службы. Infineon усиливает это за счет технологии .XT, включающей в себя медную проволоку, усовершенствованную металлизацию лицевой стороны и спекание в матрице или на керамической подложке. Благодаря улучшенной циклической работе, сниженным потерям за счет эффективной работы SiC и оптимальному распределению тока между микросхемами силовые модули от Infineon идеально подходят для применения в системах с высокой мощностью.
Ассортимент продукции XHPTM 2
Линейка продуктов XHP 2 от Infineon является частью мощной модульной платформы компании, предназначенной для сложных приборов, например, для тяговой силы, морских силовых установок, ветряных турбин и приводов среднего напряжения. Эти модули отличаются гибкостью, масштабируемостью и надежностью и охватывают диапазон напряжений от 1,7 кВ до 3,3 кВ с возможностью подключения БТИЗ и МОП-транзисторов из SiC.
МОП-транзисторы из SiC напряжением 2,3 кВ предлагаются с сопротивлением 1 Мом и 1,3 Мом при температуре 25 °C и номинальными токами 2000 А и 1500 А соответственно. Кроме того, медная основная плата гарантирует напряжение изоляции 4 кВ, в то время как алюминиевая основная плата гарантирует изоляцию 6 кВ.
Серия XHP 2 подходит для двухуровневых преобразователей. В них выходное напряжение чередуется между двумя различными уровнями. Фактические показатели зависят от конфигурации схемы. В инверторах с половинным и полным мостом выходное напряжение чередуется между группами контактов +V и -V, где опорная центральная точка (например, нейтральная) допускает положительные и отрицательные колебания.
Это относится к системам преобразования энергии ветра и аккумуляторным системам хранения энергии, где для выработки электроэнергии переменным током обычно используется топология полного моста (контакты ±V). Обычно форма выходного сигнала представляет собой серию импульсов, которые после сглаживания фильтрами дают хорошее приближение к синусоидальной волне.
Преимущества системы при преобразовании энергии ветра
Преимущества переключателей МОП-транзисторов из SiC в типичной ветроэнергетической системе можно смоделировать, используя решение GEN5 БТИЗ в качестве эталона (см. рис. 1).
Рис. 1: Оценка вариантов использования энергии ветра
Моделирование основано на следующих предположениях: двухуровневый трехфазный преобразователь мощностью 3,3 МВА с модулями XHP 2; машинная сторона f1 = 10 Гц и коэффициент мощности cosf = -0,9. Кроме того, модули с предварительно нанесенным материалом TIM (термопаста) обладают тепловым сопротивлением радиатора к окружающей среде 30 К/кВт, а температура охлаждающей жидкости установлена на уровне 40 ºC.
С учетом этих характеристик модули 3´ БТИЗ, рассчитанные на напряжение 1,7 кВ, могут использоваться для напряжения переменного тока = 690 В и постоянного тока = 1200 В. В первом столбце обеих таблиц приведены ожидаемые результаты при использовании БТИЗ-модулей, показывающие, что температура соединения остается значительно ниже максимально допустимого значения в 175 ºC.
Если в качестве замены используются модули SiC напряжением 2,3 кВ, напряжение постоянного тока может быть увеличено до 900 В и 1500 В соответственно. Благодаря повышенной удельной мощности и, как следствие, меньшим потерям при переключении, требуются только модули 2´ SiC, что позволяет повысить частоту переключения до 2,5 кГц. При этом не только сохраняется температурный запас, но и повышается КПД до 99,3%.
Улучшение становится еще более заметным, если сохранить частоту переключения на уровне 2 кГц при одновременном сокращении времени простоя, что достигается за счет более низкого заряда обратного восстановления Qrr. Время простоя – это короткий период, в течение которого оба переключателя на верхней и нижней сторонах полумоста выключены для предотвращения пробоя. В течение этого периода встроенный диод МОП-транзистора проводит ток, накапливая заряд (Qrr). Более длительное время простоя приводит к большей проводимости через диод, что ведет к более высокому Qrr и увеличению энергии включения (Eon) при включении переключателя.
В этом случае температура соединения значительно снижается до 129 ºC, а КПД дополнительно повышается до 99,43%. Наконец, при увеличении рабочей частоты до 3,1 кГц производительность остается сопоставимой с таковой при частоте 2,5 кГц, как показано во второй таблице на рис. 1.
Преимущества аккумуляторных систем хранения энергии
Для аккумуляторных систем хранения энергии можно провести еще одно моделирование с такой же двухуровневой топологией. Однако на этот раз сравнение проводится между двумя SiC-модулями напряжением 2,3 кВ с разными номинальными токами: 1 Мом для одного устройства и 1,3 Мом для другого. В этом случае используется только инверторный каскад, поскольку источником постоянного тока является аккумуляторная батарея. Первичные напряжения составляют 690 В и 1500 В для Vgrid и VDC. Частота сети составляет 50 Гц, а МОП-транзисторы из SiC переключаются с частотой 6 кГц. Также предполагается, что максимальная температура перехода составляет 175 ºC. Модули, предварительно собранные с помощью TIM, обладают тепловым сопротивлением теплоотвода окружающей среде 50 К/кВт при температуре окружающей среды 40 ºC (см. рис. 2).
Рис. 2: Повышение эффективности в аккумуляторных системах хранения энергии
Важно отметить, что, поскольку потери при переключении преобладают над потерями при проводимости, для их снижения и повышения эффективности требуется использовать модуль с меньшим количеством параллельных элементов (меньшая пропускная способность по току), что обеспечивает более быструю коммутацию.
Использование модуля мощностью 1,3 Мом вместо модуля мощностью 1 Мом позволяет устройству работать с охлаждением, повышая КПД до 99,42% (по сравнению с 99,33%) без снижения выходной мощности системы (1,61 МВт против 1,67 МВт).
Надежна ли параллельная работа модуля?
Простое и безопасное распараллеливание модулей имеет решающее значение для увеличения мощности. Чтобы убедиться в эффективности симметричной конструкции модулей, инженеры Infineon провели эксперименты с 12 различными парами модулей. Каждая пара была подключена параллельно и управлялась одним и тем же драйвером затвора. Разбалансировка параметров между модулями в паре была намеренно введена путем увеличения разброса таких значений, как DRDS,on, DVGS,th и прямое напряжение диода DVF. Кроме того, сопротивление затвора оставалось одинаковым как для включенного, так и для выключенного состояния.
Измерения проводились в номинальных условиях при напряжении постоянного тока = 1500 В и напряжении на затворе VGS = +15 В/-5 В. Ток разряда варьировался от 500 А до 2000 А на модуль, а диапазон температур - от 25 до 175 0C. Наконец, были построены модели линейной регрессии для изучения влияния дисбаланса параметров на Eon при включенной энергии, Eoff при выключенной энергии и распределение тока. Результаты показали, что:
1. Разброс по сопротивлению является наиболее важным параметром, влияющим как на распределение статического тока, так и на динамические потери
2. Разброс порогового напряжения затвора влияет только на динамические потери
3. При работе в обратном канале с оптимальным временем простоя параметры диода учитывать не нужно
4. В наихудшем случае было обнаружено несоответствие тока всего на 5%
5. Положительный тепловой коэффициент сопротивления при включении, который обеспечивает эффект отрицательной обратной связи, помогает компенсировать как статические, так и динамические потери. При реальной работе преобразователя этот эффект может уменьшить рассогласование токов до 40%.
