Piikarbidiin (SiC) perustuvien puolijohteiden tuomat monet edut sähköautojen ja aurinkokennojen sovellusten suorituskykyyn ovat hyvin tiedossa. Materiaalina piikarbidi soveltuu hyvin käytettäväksi myös muissa sovelluksissa, kuten esimerkiksi piirien suojauslaitteissa.

Tässä artikkelissa tarkastellaan tämän alueen sovelluksia ja tehdään vertailua mekaanisten suojalaitteiden ja eri puolijohdepiireillä toteutettujen puolijohdepohjaisten suojakatkaisimien (SSCB, solid-state circuit breakers) välillä. Lopuksi tehdään selkoa, mihin piikarbidin lisääntyvä kiinnostus SSCB-piireissä perustuu.

Sähköinfrastruktuurin ja -laitteiden suojaaminen

Sähköiset kuljetus- ja jakelujärjestelmät sekä herkät laitteet tulee suojata yllättävien ylikuormitus- ja hetkellisten oikosulkutilanteiden varalta. Yhä suurempia jännitteitä käyttävien sähköjärjestelmien ja -autojen yhteydessä suurimmat mahdolliset vikavirrat ovat suurempia kuin koskaan. Suojautuminen näitä suuria vikavirtoja vastaan edellyttää erittäin nopeiden AC- ja DC-suojakatkaisimien käyttöä. Vaikka tähän asti näissä sovelluksissa on perinteisesti käytetty mekaanisia suojakatkaisimia, suosiotaan ovat lisäämässä haasteellisissa toimintaympäristöissä puolijohdepohjaiset suojakatkaisimet. Puolijohdepohjaisilla suojakatkaisimilla eli SSCB-piireillä on monia etuja mekaanisiin vaihtoehtoihin nähden.

Kestävyys ja luotettavuus: Mekaanisissa suojakatkaisimissa on helposti vikaantuvia liikkuvia osia. Liikkuvat osat voivat särkyä helposti tai laitteen suoja-asetus voi siirtyä vahingossa paikoiltaan liikkeen vaikutuksesta ja ne ovat alttiita kulumiselle ja vahingoittumiselle aina kun niihin tehdään uusia asetuksia. Sen sijaan SSCB-piireissä ei ole liikkuvia osia, ja ne ovat siten kestävämpiä ja vähemmän alttiita vahingoittumiselle, jolloin niitä voidaan käyttää tuhansia toimintajaksoja kerta toisensa jälkeen.

Lämmönkestävyys: Mekaanisten suojakatkaisimien lämmönsieto riippuu niiden rakenteissa käytetyistä materiaaleista, mikä asettaa rajoituksia toimintalämpötilalle. SSCB-piirit kestävät korkeampia lämpötiloja kuin mekaaniset vaihtoehdot ja niiden toimintalämpötila on säädettävissä.

Etäkäyttö: Kun suoja-asetus asetetaan, joudutaan se tekemään mekaaniselle katkaisimelle manuaalisesti. Tämä vie aikaa ja lisää kustannuksia erityisesti silloin, jos asetukset on tehtävä laajalle alueelle asennetuille laitteille. Tästä voi seurata myös turvallisuutta heikentäviä vaikutuksia. SSCB-piireille suoja-asetukset voidaan tehdä etänä langallisella tai langattomalla tiedonsiirrolla.

Nopea kytkentä ilman kipinöintiä: Kun mekaaninen katkaisin kytkeytyy, seurauksena voi olla riittävän suuria valokaaria ja jännitevuotoja, jotka vaurioittavat kuormana olevaa laitetta. Näiden induktiivisten jännitepiikkien ja kapasitiivisten kytkentävirtasysäysten aiheuttamia ilmiöitä vastaan voidaan suojautua käyttämällä pehmeäkäynnistysmenetelmiä SSCB-piireissä hyödyntämällä erittäin nopeaa, muutamassa mikrosekunnissa tapahtuvaa katkaisua vikatilanteissa.

Joustava nimellisvirta: Mekaanisten suojakatkaisimien nimellisvirrat ovat kiinteitä, kun taas SSCB-piirien nimellisvirrat ovat ohjelmoitavissa.

Pieni koko ja edullinen hinta: Mekaanisiin vaihtoehtoihin verrattuna SSBC-piirit pienentävät järjestelmän kokoa, koska ne ovat merkittävästi kevyempiä ja vievät vähemmän tilaa.

Nykyisten SSBC-piirien rajoitteita

Vaikka SSCB-piireillä on etunsa mekaanisiin suojakatkaisimiin verrattuna, on niillä myös joitakin heikkouksia kuten rajalliset nimellisjännite/-virta-arvot, suuremmat johtavuushäviöt ja kalliimpi hinta mekaanisiin vaihtoehtoihin nähden. SSBC-komponentit perustuvat yleensä TRIAC-tyristoreihin vaihtovirtasovelluksissa ja standardeihin planaarisiin MOSFET-transistoreihin tasavirtajärjestelmissä. TRIACit ja MOSFETit toteuttavat kytkentätoiminnon, kun taas optisesti eristetyt ajurit suorittavat ohjaustoiminnot. Suurivirtaiset MOSFET-pohjaiset SSCB-piirit tarvitsevat kuitenkin jäähdytyselementtejä suurien lähtöjännitteiden ollessa kyseessä, mikä tarkoittaa, että niiden toteutuvat tehotiheydet eivät ole samalla tasolla kuin mekaanisilla suojakatkaisimilla.

Vastaavasti jäähdytyslevyjä tarvitaan myös käytettäessä IGBT-transistoreilla toteutettuja SSCB-piirejä, joissa kyllästysjännite aiheuttaa suuria tehohäviöitä yli kymmenien ampeerien virroille. Esimerkiksi 500 ampeerilla yli kahden voltin jännitepudotus IGBT:n yli aiheuttaa tuhannen watin tehohäviön. Tällaiselle tehomäärälle MOSFET:n päästövastuksen pitää olla noin neljä milliohmia. Tällainen vastustaso ei ole nykyisin saavutettavissa yksittäisillä laitteilla, joiden nimellisjännitteet lähenevät 800 volttia (ja ylikin) sähköautoissa. Vaikka tämä taso onkin teoreettisesti toteutettavissa kytkemällä laitteita rinnakkain, kyseinen lähestymistapa lisäisi oleellisesti ratkaisun kokoa ja hintaa, jotka vielä entisestään kasvaisivat, jos vaaditaan reitityksiä kaksisuuntaista virtaa varten.

Uuden polven SSCB-piirit SiC-tehomoduuleilla

Piikarbidisiru voi olla kymmenenkin kertaa pienempi kuin vastaava samalla nimellisjännitteellä ja päästövastuksella varustettu piisiru. Lisäksi SiC-piirit voivat kytkeytyä ainakin sata kertaa nopeammin ja toimia yli kaksi kertaa suuremmissa lämpötiloissa kuin piipiirit. Samaan aikaan piikarbidin erinomainen lämpöjohtavuus tekee siitä piitä kestävämmän suurissa lämpötiloissa. Onsemi hyödyntää näitä ominaisuuksia EliteSiC-sarjan tehomoduuleissaan, joiden päästövastusarvot ovat niinkin alhaiset kuin 1,7 milliohmia 1200 voltin laitteissa. Moduuleihin on integroitu kahdesta kuuteen SiC MOSFET -transistoria samaan koteloon.

Sintrattu mikrosiruteknologia (missä kaksi yksittäistä toisiinsa liitettyä sirua on samassa kotelossa) mahdollistaa piirimoduulille luotettavan suorituskyvyn suurillakin tehotasoilla. Näille piireille ominainen nopea kytkeytyminen ja suuri lämmönjohtavuus takaavat nopean ja turvallisen ’suojamekanismin’ (avoin virtapiiri) loppusovellukselle vikatilanteissa katkaisten virran kulun siihen asti, kunnes normaalit toimintaolot ovat palautuneet. Tämän tyyppiset piirimoduulit ovat osoitus siitä, että voidaan menestyksekkäästi integroida useita SiC MOSFET -transistoreja samaan koteloon, jolloin pystytään toimittamaan pienillä päästövastusarvoilla varustettuja pienikokoisia piirimoduuleja käytännön suojakatkaisinsovelluksia varten.

Lisäksi onsemin valikoimissa on EliteSiC MOSFET -transistoreja ja -tehomoduuleja, jotka kestävät 650-1700 voltin jännitteitä, mikä tarkoittaa, että ne ovat sovitettavissa SSCB-piireihin käytettäväksi yksi- ja kolmivaiheisissa kotitalous-, kaupallisissa ja teollisuuden sovelluksissa. Onsemin vertikaalisesti integroitu SiC-toimitusketju käsittää luotettavuuden osalta perusteellisesti testattuja tuotteita, joiden vikaprosentti on lähellä nollaa.

Kuva 1: Onsemin SiC-toimitusketju alusta loppuun.

Kuvassa 2 on toteutettu SSCB-piirimoduuli, jossa on useille 1200 voltin SiC-siruille toteutettuja useita käänteis-rinnakkaiskytkettyjä kytkimiä rinnakkain, jolloin saavutetaan pienimmät R-DS (on) -arvot ja optimoidaan lämpöhäviöt. Kuvan mukaiset täysin integroidut moduulit on varustettu optimoidulla nastoituksella ja piirikuvioinnilla, joiden ansiosta saadaan vähennettyä sähkömagneettisia häiriöitä sekä parannettua kytkentätehoa ja vikaantumisen vasteaikoja. Onsemin SiC-moduulien valikoimaan kuuluu 650, 1200 ja 1700 voltin nimellisjännitteellä varustetut moduulit joko piirilevyllä tai ilman riippuen loppusovelluksen asettamista vaatimuksista ja tehotarpeista.

Kuva 2: SiC B2B -moduulina toteutettu 480 VAC:n ja 200 A:n SSCB-piiri.

Kuva 3: Onsemin SSCB-sovelluksiin tarkoitettuja moduuleja.

Kehitystyö jatkuu

Mekaanisten suojakatkaisimien tehohäviöt ovat pienempiä, tehotiheydet suurempia ja hinnat nykyisin edullisempia kuin SSCB-komponenteilla. Ne kuitenkin ovat alttiimpia kulumiselle ja vahingoittumiselle niitä uudelleen käytettäessä ja ne edellyttävät kustannuksia lisääviä manuaalisia toimenpiteitä, kun asetuksia halutaan muuttaa tai korvata laite toisella. Suojakatkaisimien ja SiC-piirien kysynnän kasvu jatkuu samaa tahtia sähköautojen määrän yleistymisen kanssa, jolloin käänteentekevästä SiC-teknologiasta on tulossa entistä kilpailukykyisempi ja kiinnostavampi käytettäväksi SSCB-ratkaisuissa.

SiC-prosessitekniikan edistyessä ja SiC MOSFET -moduulien vastusarvojen pienentyessä entisestään ja lähetessä lopulta samalle tasolle mekaanisten suojakatkaisinten kanssa, tehohäviöiden painoarvo menettää merkityksensä. Nopea kytkentä, kipinöinnin puuttuminen, kustannusten edullisuus (ei ylläpitoa tai huoltoa) ovat etuja, jotka siivittävät SiC-pohjaisten piirien käyttöä SSCB-moduuleissa.