Полупроводниковые приборы нового поколения на основе карбида кремния и особенности их охлаждения ЗАО НПК «Электровыпрямитель»

Уникальные электрофизические свойства карбида кремния позволили разработать полупроводниковые приборы нового поколения, позволяющие кардинально улучшить параметры преобразователей электрической энергии Проводящие подложки и эпитаксиальные структуры монокристаллического карбида кремния (SiC) 4Н политипа

Преимущества полупроводниковых приборов на основе карбида кремния Преимущества Карбид кремнияКремний Высокие рабочие напряжения Диоды Шоттки до 5 кВ Диоды Шоттки до 0,2 кВ Биполярные приборы до 50 кВ Биполярные приборы до 8 кВ Высокие рабочие температуры Биполярные приборы до ˚С Полевые приборы до ˚С Биполярные приборы до ˚С Полевые приборы до ˚С Высокая устойчивость к радиации нейтронов/см нейтронов/см 2 Высокая рабочая частота100 кГц10 кГц

Сравнение параметров IGBT на кремнии (Si) и карбиде кремния (SiC) Параметр IGBT прямые потери FWD прямые потери IGBT коммутационные потери FWD коммутационные потери Общие коммутационные потери Общие прямые потери Общие потери инвертора Мощностные потери на IGBT/FWD IGBT коммутационные потери (Ватт) FWD коммутационные потери (Ватт) FWD прямые потери (Ватт) IGBT прямые потери (Ватт) Si FWD Ватт SiC10 FWD Ватт Снижение% Si FWD Ватт SiC10 FWD Ватт Существенное сокращение динамических потерь в IGBT - Si диод вносит более 50% в динамические потери в результате энергии обратного восстановления - SiC диод Шоттки устраняет эти потери, снижая суммарные потери в инверторе - более чем на 33% - SiC диод Шоттки снижает интенсивность ЭМИ

Области применения полупроводниковых приборов на основе SiC Полупроводниковые приборы на основе SiC Авиационная и космическая техника Атомная энергетика Авиарадары, СВЧ-связь Нефтехимия Электромобили Светотехнические устройства на основе светодиодов Военно-морской флот Металлургия и машиностроение

В последние годы правительства США, ведущих стран Европы и Юго-Восточной Азии обеспечивают многомиллионным контрактами фирмы и научные центры, которые разрабатывают как военную, так и гражданскую электронику на SiC и нитриде галлия (GaN). В результате этих работ сейчас на основе SiC и GaN за рубежом уже разработаны промышленные образцы приборов силовой электроники нового поколения на основе широкозонных полупроводниковых материалов и начато их серийное производство.

Номенклатура производимых и разрабатываемых в мире полупроводниковых приборов на основе карбида кремния (SiC) п/п Наименование прибораХарактеристики Дискретные приборы на SiC Полевые приборы на SiC 1Интегрированные pn диоды Шоттки Напряжение: 600 – 1700 В Ток: 1 – 50 А 2JFET транзисторы Напряжение: 600 – 1700 В Ток: 1 – 50 А 3MOSFET транзисторы Напряжение: 600 – 1700 В Ток: 1 – 50 А Биполярные приборы на SiC 4Биполярные транзисторыНапряжение: 1200 В 5Запираемые тиристорыНапряжение: 6500 ВНапряжение: до 20 кВ 6Биполярные диодыНапряжение: до 20 кВ 7IGBT транзисторыНапряжение: до 20 кВ Модули на основе SiC 8Диодный модуль на основе интегрированных pn диодов Шоттки Напряжение: 600 – 1700 В Ток: 50 – 800 А 9 Модуль на основе JFET транзисторов и интегрированных pn диодов Шоттки Напряжение: 600 – 1700 В Ток: 50 – 300 А 10 Модуль на основе MOSFET транзисторов и интегрированных pn диодов Шоттки Напряжение: 600 – 1700 В Ток: 50 – 300 А 11 Гибридный модуль на основе Si IGBT транзисторов и SiC интегрированных pn диодов Шоттки Напряжение: 600 – 1700 В Ток: 50 – 800 А 12 Гибридный модуль на основе Si MOSFET транзисторов и SiC интегрированных pn диодов Шоттки Напряжение: 600 – 1700 В Ток: 50 – 300 А 13Высокотемпературные модули Напряжение: 1700 В Ток: 1600 А Температура корпуса: 225°С - в разработке - в производстве

Этапы разработки IGBT транзисторов на SiC фирмы Cree 2010 – 2011 гг. Площадь чипа – 6.7 мм×6.7 мм. Активная площадь чипа – 0.16 см 2 12 кВ, 10 А 2011 – 2012 гг. Площадь чипа – 8.4 мм×8.4 мм. Активная площадь чипа – 0.32 см 2 15 кВ, 20 А 2012 – 2013 гг. Площадь чипа – 1см×1 см. Активная площадь чипа – 0.42 см 2 17 кВ, 20 А

Модуль на основе карбидокремниевых запираемых тиристорах фирмы Cree Быстрое переключение импульсного тока в SiC модуле на запираемых тиристорах (GTO) Общее количество SiC p GTO – 4 ряда (8×10 кВ)

Замена высоковольтных силовых кремниевых приборов на карбидокремниевые приборы позволит : - существенно сократить массо-габаритные показатели мощных преобразователей электрической энергии 150 Вт/дм Вт/дм Вт/дм Вт/дм 3 Величина удельной мощности Современные преобразователи электрической энергии изготовленные на полупроводниковых приборах на основе кремния (Si) Преобразователи электрической энергии изготовленные на полупроводниковых приборах на основе карбида кремния (SiC) Достигнутые параметры* Перспективные параметры** - на 20-30% снизить потери электрической энергии в преобразователях; - расширить сферы применения полупроводниковой электроники и ее функциональные возможности. Si Инвертер мощность 5 кВт, объем 43 дм 3 SiC инвертер фирмы APEI, Inc., (США) мощность 5 кВт, объем 6 дм 3 ПЧ-ТТП мощность 75 кВт, объем 500 дм 3 SiC преобразователь мощность 75 кВт, объем 2,5 дм 3 * - источник: Семинар фирмы Acreo 2011 г. (Швеция) ** - источник: Семинар фирмы Acreo 2008 г. (Швеция)

Бронированная военная техника для ведения боевых действий (дизельные двигатели на 150 кВт – 500 кВт), будет произведено около 120,000 единиц К 2015 будет выпущен новый авианосец USS Gerald R. Ford (CVN-78), который будет весить меньше на 170,000 кг. и занимать на 290 м3 меньше объема, благодаря использованию в нем преобразователей на карбид- кремниевых приборах вместо преобразователей на кремниевых приборах. Образцы разрабатываемой военной техники США, в которой будут использованы приборы на основе карбида кремния (в рамках программы развития гибридного электрического транспорта Американской Армии ) Новое поколение Авианосцев, США Тяжелая военная техника (дизельные двигатели на 225 кВт – 500 кВт), будет произведено около 95,000 единиц Вполне вероятно, что к 2020 году значительная часть военной и гражданской силовой электроники США и стран НАТО будет производиться на основе SiC и GaN.

Прогноз применения приборов на основе SiC в ближайшие 10 лет Научные исследования Морские суда Электросети Ж/Д траснпорт Инверторы Ветротурбины Электродвигатели Источники Бесперебойного Питания Гибридный транспорт Корректоры Коэффициента Мощности Объем рынка (млн. долларов США) Предварительный прогноз объема рынка SiC приборов основанный на коммерческих продажах К 2020 году прогнозируется рост рынка SiC и GaN приборов до 1 млрд. долларов США (этот прогноз не включает бизнес, связанный с обороной).

Конструкция модуля М2ДЧ с кристаллами диодов Шоттки на основе SiC CPW3-1200S010

Математическая модель для расчета распределения температуры в модуле М2ДЧ p пр (t)=(U 0 +r дин i(t))·i(t) P 1 = P 1пр + P 1дин U 0 = 0,65 В r дин = 0,2 Ом P 1дин =2,2 Вт N – число диодов в модуле Охладитель воздушный ОАО «Электровыпрямитель» тип 034: тепловое сопротивление контактная поверхность охладителя – охлаждающая среда R thca –1,2 °С/Вт при естественном охлаждении; –0,31 °С/Вт при скорости охлаждающего воздуха 6 м/с.

Результаты моделирования распределения температуры в модуле М2ДЧ Ta = 45°C Rthca = 1,2 °C/Вт Tmax = 225°C T = 28 °C Rthjc = 0,23 °C/Вт Rthja = 1,43 °С/Вт

Результаты моделирования распределения температуры в модуле М2ДЧ Tmax,°СRthca, °C/Вт Im, АP, Вт T, °С Rthjc, °С/Вт Rthja, °С/Вт 2251, ,231, , ,241, , ,260, , ,250,56