Tehomuunnoksissa hyötysuhteella on suuri merkitys tänä päivänä, sillä jokaisen hukatun watin katsotaan osaltaan lisäävän ilmaston lämpenemistä ja loppukäyttäjän käyttökustannuksia. Tehomuuntimien perinteinen piipohjaisiin puolijohteisiin perustuva teknologia on saavuttanut suorituskyvyn osalta vakiintuneen tasonsa. Uudet laajan kaistaeron teknologiat, jotka perustuvat piikarbidiin ja galliumnitridiin, ovat osoittautumassa hyötysuhteeltaan paremmiksi.

Energian käyttö ja sen muuntaminen energialähteestä lopulliseen käyttöön soveltuvaksi ovat olleet kehitystyön kohteina niistä ajoista lähtien, jolloin hevosvoimalla ymmärrettiin nimensä mukaista voimaa ja auran muotoilulla oli olennainen merkitys siinä, kuinka kauan viljelysmaan kyntäminen kesti. Nyttemmin ajatellaan enemmän sähköenergiaa ja tehon muuntamista generaattorin lähdön jännitteestä käyttösovelluksen lopulliseksi jännitteeksi oli kyse sitten proses-soriin tarkoitettua 0,6 V:n tasasähköä, teollisuuden moottorin-ohjaukseen tarkoitettua 24 V:n tasasähköstä 500 V:n vaihtosähköön olevaa sähköä tai sähköauton lataamiseen tarkoitettua 400 V:n tasasähköä.

Muunnosprosessissa hyödynnetään poikkeuksetta tehopuoli-johteita, joista piipohjaiset kanavatransistorit eli MOSFETit ja IGBT:t eli eristehilabipolaari-transistorit ovat olleet suosituimpia vuosikymmenien ajan. Näissä kytkimissä häviöt ovat olleet merkittävin järjestelmän hyötysuhdetta alentava tekijä, ja se korostuu, koska nykyisin tehohäviöiden vähentämisestä on tullut keskeinen asia käyttökustannusten ja ympäristötaakan pienentämisessä.

Viime vuosina piille on tullut vaihtoehtoisia toteutettavissa olevia materiaaleja kuten piikarbidi SiC ja galliumnitridi GaN, joissa on tehomuunnoksen hyötysuhdetta parantavia ominaisuuksia. Nämä laajan kaistaeron (wide bandgap) piirit eivät kuitenkaan ole sellaisenaan suoraan käyttökelpoisia piipiirien tilalla, vaan sovelluksissa käytettävät piirit on sovitettava haluttuihin suunnitteluihin sopiviksi, etenkin jos halutaan saada käyttöön kaikki täyden suorituskyvyn edut. Kuvassa 1 kuvataan materiaalien välisiä merkittävimpiä eroavuuksia.

JOHTUMISHÄVIÖT

IGBT:llä on pienin kollektorista emitteriin oleva johtavuustilan kyllästymisjännite, joka yhdessä kollektorivirran kanssa määrittää johtumisesta aiheutuvat häviöt. Pii-MOSFETeillä on johtavuustilan resistanssi, joten tehohäviö on
I.R_(ON), mikä voi nousta kohtuuttomaksi suurilla virta-arvoilla. Kuitenkin pienillä jännitteillä ja pienillä keskitehoilla alhaisen johtavuustilan resistanssin R_(ON) omaavien pii-MOSFETtien johtumishäviöt voivat olla pienemmät kuin IGBT:llä.

SiC- ja GaN-piirien kriittiset läpilyöntijännitteet ovat paljon suuremmat kuin piipiireillä, jolloin drift- eli ajautumiskerros voi olla ohuempi ja seostuspitoisuus sakeampi. Tästä johtuen sirupinta-alan johtavuustilan resistanssi ja nimellisjännite pienenevät ja tuloksena on pienemmät johtumishäviöt. Lisäksi SiC:n lämpöjohtavuus on yli kolme kertaa parempi kuin piillä, joten pinta-alaltaan pienempää sirua voidaan käyttää saman lämpötilan nousun aikaansaamiseksi. Joka tapauksessa SiC:lla ja GaN:llä ovat mahdollisia paljon piitä suuremmat toimintalämpötilat, mikä parantaa niiden kuormituksen kestävyyttä.

KYTKENTÄHÄVIÖT

Suuri muuntimen kytkentätaajuus mahdollistaa, että muut tarvittavat komponentit kuten magneetit voivat olla pienempiä ja saadaan säästöjä koon, painon ja kustannusten osalta. Kaikkien piirien kytkentähäviöt kasvavat kuitenkin suoraan taajuuden mukaan. IGBT-piirejä käytetään harvoin yli 20 kHz:n taajuuksilla, koska tehohäviöitä syntyy ’häntävirroista’, joita tarvitaan kytkentäsuojapiireissä ja suurten piirikapasitanssien varaamisessa ja purkamisessa. Pii-MOSFETit voivat kytkeytyä satojen kilohertsien taajuuksilla, mutta lähtökapasitanssiin kulkevan virran energiahäviö EOSS muodostuu rajoittavaksi tekijäksi, kun taajuus kasvaa. SiC:lla ja GaN:llä on kuitenkin paljon piitä suurempi elektronien kyllästymisnopeus ja paljon pienemmät kapasitanssit, joten ne voivat kytkeytyä paljon nopeammin pienemmillä häviöillä.

Merkitystä on myös sillä, miten piirit käyttäytyvät ’kolmannessa kvadrantissa’ johtavuuskanavan ollessa estosuuntainen, kuten tapahtuu esimerkiksi moottorikäyttöjen nopeassa kytkennässä (hard switching) ja invertterin kommutoidessa. Koska IGBT:t eivät johda estosuunnassa, tarvitaan vastakkaissuuntainen diodi, jonka tulee olla tyypiltään nopeasti palautuva pienillä jännitemuutoksilla.

Vaikka pii- ja SiC-MOSFETtien sisäiset diodit ovat luontaisesti nopeita, niiden kanavat voivat johtaa myös estosuuntaisesti vähin häviöin ja ilman estosuuntaista palautumisilmiötä, kun niiden hilat kytketään johtamaan. Kuitenkin jokainen ’kuollut aika’, jolloin kanava on estosuuntainen, mutta hila ei ole vielä kytketty johtotilaan, aiheuttaa sen, että sisäinen diodi ei johda tuona aikana. Seurauksena on merkittävä tehohäviö suhteellisen suuren päästöjännitteen muutoksen vuoksi.

GaN-kytkimet koostuvat suuren elektroniliikkuvuuden omaavista HEMT-transistoreista eikä niissä ole sisäisiä diodeja. Vaikka niiden kanavat voivat MOSFETtien tavoin johtaa estosuunnassa, myös niissä tapahtuu sisäisen diodin aiheuttama ilmiö kanavassa jokaisen kuolleen ajan aikana, jolloin jännitteen muutos on suunnilleen samansuuruinen hilan noin 2V:n kynnysjännitteen kanssa. Tämän seurauksena voi olla jälleen häviöitä, ellei kanava ole aktiivisesti kytketty johtotilaan.

KÄYTÄNNÖN TOTEUTUKSIA

Kytkentäteknologian valinnassa olennainen asia on toimintajännite. Suuritehoiselle pii-MOSFETille se on suurimmillaan noin 950 V, GaN-HEMT:ille noin 600 V ja SiC-MOSFETille noin 1700 V. IGBT:llä on yhä vankka asema erittäin suurilla jännitteillä, vaikkakin MOSFETeistä voidaan kokoonpanna joitakin topologioita, joilla saadaan pienennettyä jänniterasitusta. Kun ylijännitteen vaara on olemassa, IGBTeitä ja MOSFETtejä suojaa vyörypurkaustila erilaisilla piireistä riippuvaisilla jännitearvoilla. GaN HEMT:llä ei ole suojaavaa vyörypurkaustilaa, joten ne rikkoutuvat vakavin seurauksin ylijänniterasituksessa. Tästä syystä GaN-piirien valmistajat haluavat varmistaa, että datalehdessä annetun jännitearvon ja absoluuttisen suurimman jännitteen välinen marginaali on riittävän iso.

Paras mahdollinen hilaohjaus-järjestely on hyvin erilainen eri piiriteknologioiden välillä. IGBT:llä on eristetyt hilat ja tarvitaan suuri kokonaisvaraus riittävän ohjaustehon aikaansaamiseksi. Tämä skaalautuu suoraan hilajännitteen ja taajuuden vaihteluihin: suurimmat piirit kuluttavat useita watteja realistisilla kytkentätaajuuksilla. Pii-MOSFETtien hilavaraukset ja ohjaustehon vaatimukset ovat paljon pienempiä ja IGBT:een tavoin niiden hilan kynnysjännite on 10 V:n luokkaa enimmillään. Absoluuttinen suurin hilajännite on tyypillisesti +/- 25 V. Hila ohjataan usein negatiiviseen jännitteeseen aina noin -12 volttiin saakka piirin kytkemiseksi pois päältä. Tämä on tarkoitettu kompensoimaan Millerin kapasitanssin ilmiötä ja mitä tahansa lähde- tai emitteriliitännässä vaikuttavaa yhteisinduktanssia, joilla kummallakin on taipumusta tuottaa häiriöitä päältä pois – eli OFF-kytkentätilassa hilan ohjausta häiritsemään.

SiC:lla ja erityisesti GaN:llä on hyvin alhainen kokonaishilavaraus ja merkityksettömät ohjaustehovaatimukset. Täyden suoritustehon saavuttamiseksi SiC-hiloja täytyy ohjata kuitenkin lähes 20 V:lla, mikä lähentelee tyypillistä absoluuttista maksimiarvoa +25 V. Suojaavia rajoitusdiodeja käytetään tällöin usein ehkäisemään jänniterasituksia. GaN HEMT -transistorit ovat itse asiassa virtaohjattuja jännitteen ollessa noin 3 V tuottaen muutaman milliampeerin virran, joka tarvitaan piirin päälle kytkemiseksi. Jännite vaihtelee voimakkaasti lämpötilan ja nieluvirran mukaisesti eikä sitä siten ole spesifioitu normaaliksi kynnysjännitteeksi V_TH. Suurin hilavirta on siksi määritelty - mitattuna kymmenissä milliampeereissa - vaikkakin ampeerien pulssivirrat ovat sallittuja riippuen pulssinleveydestä ja toistonopeudesta.

Sekä SiC että GaN saattavat kärsiä ’haamukytkeytymisistä’, joihin ovat syynä luontaiset erittäin suuret di/dt- ja dV/dt-tasot. Tämän takia muutaman voltin negatiivista hilaohjausta käytetään usein piirin pois päältä kytkemiseen. Erityisesti GaN-piirien yhteydessä on otettava huomioon riskit, joita saattaa aiheutua niiden matalasta tehollisesta kynnysjännitteestä ja nopeimmasta dV/dt-tasosta.

Piirivalmistajat varustavat kuitenkin yleensä SiC- ja GaN-piirinsä lähteeseen liitettävillä ’Kelvin’-liitännöillä, jolloin hilaohjaussilmukka saadaan tehokkaasti eristetyksi päävirtareitistä ja mainittu riski pienenee tai poistuu kokonaan. GaN HEMT -hilojen ohjaaminen negatiiviseksi voi myös aiheuttaa ongelmia, sillä jännite suoraan lisää piirin sisäisten diodien tehon pudotusta, jos kanava johtaa estosuunnassa kuolleen ajan aikana, ja tällöin häviöt lisääntyvät.

SiC- ja GaN-piirien hilaohjaukset sisältävät tyypillisesti ylimääräisiä sarjavastuksia, jotka harkitusti hidastavat kytkennän reunanopeuksia kompromissina EMI-häiriöiden ja suorituskyvyn välillä. Piirit, joissa käytetään erillisiä vastuksia ON- ja OFF-kytkennän ohjausta varten, ovat yleisesti käytettyjä ja toteutettu ohjausdiodeilla.

PIIRIEN SOVELLUKSIA

SiC on nyt yleisesti käytössä tehosovelluksissa 650-1700 V:n nimellisarvoilla sovitettuna yleisiin yksi- ja kolmivaiheisiin teollisiin ja invertterisovelluksiin. Piirit ovat kestäviksi todettuja ja uusimpiin ohjainpiireihin ja tekniikoihin soveltuvina ovat lisäämässä suosiotaan laajasti. SiC-piirejä voidaan sovittaa myös joihinkin jo olemassa oleviin pii-MOSFETtejä käyttäviin sovelluksiin tai jopa IGBT-sovelluksiin tekemällä joitakin modifiointeja ohjaustekniikkaan ja kytkentäsuoja-piireihin. Kokonaan uusissa suunnitteluissa voidaan hyödyntää suurempia kytkentätaajuuksia ja käyttää asianmukaisia layouteja, jolloin etua saadaan kun voidaan käyttää pienempiä magneettisia komponentteja.

GaN-piireille avautuu käyttömahdollisuuksia teholähteissä, joissa GaN-piirit tarjoavat parhaimman hyötysuhteen pienen jännitteen sovelluksissa. Tällaisia ovat esimerkiksi aurinkopaneelien invertterit, tietoliikenteen DC-DC-muuntimet, luokan D audiovahvistimet ja yksivaiheiset AC-teholähteet.

Ohjaustasojen herkkyyteen liittyvät huolet on ratkaistu kaskadikytkennöillä, jolloin hilaominaisuudet ovat samanlaiset kuin perinteisillä, piipohjaisilla MOSFETeillä.

Alun epäilyjen jälkeen piirien luotettavuus on parantunut, sillä teknologia on nyt osoittautunut valmiiksi ja vioittumismekanismit on saatu selvitettyä ymmärrettäviksi. Nyt suunniteltavat piirit ovat varmatoimisia ja ottavat huomioon absoluuttiset suurimmat nimellisarvot.

GaN:lle asetettavat nimellisjännitteet kasvavat joka tapauksessa tulevaisuudessa, joten enenevässä määrin ne tulevat kilpailemaan SiC- ja pii-MOSFETtien kanssa 900-1000 V:n alueella, mikä on tärkein sovellusalue teollisuuden DC-jännitetasoilla ja sähköautojen suuremmilla akkujännitteillä.

Piikarbidi- ja galliumnnitridi ovat käyttökelpoisia tyypillisen teho-muuntimen kaikilla piiriasteilla alkaen toteeminapaisen tasasuuntaajan PFC-asteesta invertterin pääasteen kautta synkronoituihin lähtötasa-suuntaajiin.

LUVASSA ISOJA HYÖTYJÄ

SiC ja GaN ovat nykyisin valtavirtaa ja yleistyvät erilaisissa erinomaista hyötysuhdetta edellyttävissä sovelluksissa. Niiden erityislaatuisten ominaisuuksien hyötyjen esiin saaminen vaatii jonkin verran paneutumista, mutta pienemmät häviöt, koot, pienempi paino ja edullisempi hinta painavat vaakakupissa enemmän. Myös ympäristövaikutukset jäävät pienemmiksi.

EBV:n Milan Itkovicin kirjoittama artikkeli on ilmestynyt tuoreessa ETNdigi-lehdessä. Sitä pääset lukemaan täällä.