Tehoelektroniikan kehittyminen parantaa laitteiden suorituskykyä ja energiatehokkuutta, sekä kutistaa niiden kokoa. Uusi kuuma materiaali on piikarbidi, johon pohjaavat diodit ovat korvaamassa perinteisiä piidiodeja.

Piikarbidi- eli SiC-piireillä voidaan tuoda merkittävästi lisää suorituskykyä ja tehokkuutta moniin sovelluksiin raideliikenteestä uusiutuvan energian tuotantoon. Nyt esiteltävillä hybriditekniikoilla, jotka yhdistävät nämä hyödyt piipohjaisten IEGT-transistorien (injection-enhanced gate transistors) tehonkäsittelykykyyn suunnittelijat voivat tehokkaasti pienentää häviöitä samalla, kun laitteiden koko saadaan pienemmäksi.

Suurten moottorikäyttöjen tehokkuuden parantaminen raideliikenteessä tai raskaassa teollisuudessa - kuten vaikkapa rullien pyörittäminen terästeollisuudessa - vaikka vain muutamalla prosentilla voi säästää merkittävät määrät energiaa, joka normaalisti hukataan lämpönä. Tämä tarkoittaa pienempiä toimintakustannuksia, halvempaa laitesuunnittelua, parempaa suorituskykyä, ja pienempää hiilijalanjälkeä. Tehopuolijohteissa on otettu merkittäviä edistysakselia viime vuosina, kun uudet arkkitehtuurit, tuotantoprosessit ja teknologiat ovat auttaneet parantamaan sekä kytkennän että lämmönjohtumisen tehokkuutta.

Saavuttaakseen laajemmat järjestelmävaatimukset kuten paremman luotettavuuden tai pienemmät kokonaiskustannukset teho-ohjaimien - esimerkiksi inverttereiden - suunnittelijoiden pitää tyypillisesti valita tyristori tai IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) pääkytkinelementiksi. Näissä komponenteissa on vahvuutensa ja heikkoutensa, jotka pakottavat suunnittelijat tekemään valinnan, joka tuo parhaan kompromissin suhteessa tiettyyn sovellukseen.

Tehokytkimen suorituskyky

Yleisesti tyristoreilla on pieni eteenpäin jännite, joka johtaa pieniin johtumishäviöihin, mutta toisaalta ne vaativat monimutkaisempaa kommutointia pois päältä kytkemiseksi. GTO-tyristori (Gate Turn Off) ohittaa tämän riippumuuden muuntopiiristä, vaikka kytkentätehokkuus pysyy IGBT:tä alhaisempana.

IGBT yhdistää jänniteohjatun MOS-hilan (Metal-Oxide Semiconductor) edun eli suhteellisen yksinkertaisen hila-ajurin bipolaaritransistorin matalaan kyllästysjännitteeseen. Sen kyky tukea korkeita kytkentätaajuuksia mahdollistaa pienempien kapasitiivisten ja induktiivisten komponenttien käytön. IGBT:n turvallinen toiminta-alue (SOA, Safe Operating Area) on myös laaja, mikä helpottaa parantamaan turvallisuutta ja luotettavuutta. IGBT:n huono puoli tyristoriin verrattuna on suhteellisen korkea kyllästysjännite, mistä johtuvat suuremmat lämpöhäviöt voivat heikentää kokonaisenergiatehokkuutta.

IEGT (Injection Enhancement Gate Transistors)

Viime vuosina on kehitetty uusi IEGT-komponentti (Injection Enhancement Gate Transistor). Siinä yhdistyvät IGBT:n helppokäyttöisyys, suuret kytkentänopeudet ja laaja SOA eli turvatoimialue, sekä tehokas lämmönjohtuminen joka yleensä liitetään tyristoripohjaisiin suunnitteluihin.

IEGT on suuritehoinen, trench-tyyppiseen hilaan perustuva MOS-komponentti joka käyttäytyy IGBT:n tavoin, mutta jonka kyllästysjännite on verrattavissa tyristorin eteenpäin jännitteeseen. Tyristorin alhainen eteenpäin jännite (forward voltage) on tulosta virran suuresta keskittymisestä, kun elektroneja ohjataan sekä anodille että katodille. Sen sijaan perinteisen IGBT:n lämmönjohtumista määrittää reikien liike kollektorilta emitterille, joka johtaa suhteellisen matalaan virtakeskittymään emitteripuolella.

IEGT-prosessi yhdessä optimoidun hilarakenteen ja elektrodien etäisyyden kanssa ylittää tämän IGBT:n rajoituksen luomalla tyristorin kaltaisen suuren virtakeskittymän, minkä ansiosta kyllästysjännite voi olla paljon perinteistä IGBT:tä alhaisempi ja tyristorin eteenpäin jännitteen kaltainen. Katkaisujännite (blocking voltage) on myös IGBT:tä korkeampi ja tyristorin jännitteen tasolla.

Diodin takavirran palautus

Half-bridge -kokoisissa moottorikäytöissä ja muissa tehonmuunnossovelluksissa, joissa diodeja liitetään johtamaan vapaapyörän virtoja, diodin takavirtaominaisuuksilla on tärkeä vaikutus piirin toimintatehokkuuteen. Johtaessaan vapaapyörän virtaa diodi varastoi latausta siten, että diodin eteenpäin jännite on mahdollisimman pieni. Kun diodi kommutoidaan, tämä varastoitu varaus täytyy neutralisoida uudelleenyhdistämisellä ja taaksevirtauksella ennen kuin diodi menee estotilaan. Tämä takavirta osaltaan lisää järjestelmän tehonhäviötä. Näitä häviöitä minimoidakseen laitesuunnittelijat ovat tyypillisesti käyttäneet ultranopeita tai hypernopeita piipohjaisia FRD-diodeja (Fast-Recovery Diodes), joiden palautusaika on lyhin mahdollinen. Monissa tapauksessa FRD-diodit on integroitu tehomoduulin sisään. Esimerkiksi Toshiba on esitellyt joukon IEGT-moduuleita, joista löytyy integroitu FRD. Nämä kattavat jännitteet aina 3,3 kilovolttiin asti ja 400, 800 tai 1200 ampeerin virrat. Ne ovat tarjolla 140 x 130 ja 140 x 190 millin koteloissa.

Seuraavan sukupolven IEGT/SiC-tehomoduuli

Parantaaksen IEGT-moduulien tehokkuutta Toshiba on esitellyt uuden polven moduulit, joihin on integroitu piikarbidipohjaiset (SiC) Schottky-diodit. Kuva 1 esittää moduulin liitännät ja piiriratkaisun.

Kuva 1. Viimeisimmän sukupolven hybridityyppinen IEGT/SiC-Schottky -moduuli (Half-bridge).

Piikarbidi mahdollistaa suuremman tehokkuuden ja luotettavuuden kuin perinteiset piisirut, jollaisia ovat esimerkiksi nopean palautuksen FRD-diodit. Toistaiseksi hyvin harva puolijohdevalmistaja on onnistunut tuomaan SiC-komponentteja markkinoille. Piikarbididiodit ovat piidiodien tehokkaita korvaajia tehonmuunnoksessa ja -kytkemisessä laajalla tehoalueella ja monilla kaupallisilla sovellusalueilla. Niiden hyötysuhde voi olla jopa 50 prosenttia perinteisiä piidiodeja parempi, ja ne voivat tarjota vakautta korkeillakin jännitteillä ja virroilla, koska ne generoivat vähemmän lämpöä. Toshiba on esitellyt joukon korkeiden jännitteiden SiC-diodeja erillispiireinä, kuten 650 voltin TRS12E65C:n, joka lanseerattiin maaliskuussa 2013.

Tehokkuuden paraneminen ja ylivoimaiset lämpöominaisuudet tekevät SiC-tekniikasta halutun esimerkiksi aurinkoinvertterien sovelluksissa, sekä suuritehoisissa teollisuuden moottorikäytöissä. SiC-diodien ja -transistorien houkuttelevin sovelluskohde on aurinkopaneelien sarjainvertteri (string inverter), kun kustannustehokkaissa mikroinverttereissä halutaan yhdistää piitransistoreja SiC-diodeihin suorituskyvyn lisäämiseksi pienemmillä kustannuksilla.

Toshiban uusin IEGT/SiC-hybridimoduuli yhdistää 1700V/1200A piipohjaisen IEGT:n piikarbididiodiin 130 x 140 x 38 millin kokoisessa moduulissa. IEGT:n kyllästysjännitteeksi on osoitettu alle 3,0 volttia sen johtaessa 1200 ampeerin virtaa 850 voltin jännitteellä. Se voi katkaista suuren virran nopeasti ja sen kytkentähäviöt ovat alhaiset, koska katkaisuenergia (Eoff, turn-off energy) voi olla jopa 30 prosenttia perinteistä ratkaisua alhaisempi. Lisäksi moduuli toimii taatusti jopa 150 asteen lämpötiloissa.

Samaan koteloon istutettu piikarbididiodi ajaa 600 ampeerin virtoja 2,8 voltin alhaisella eteenpäin jännitteellä, mikä sopii erittäin hyvin invertterimoottoreihin. Piikarbididiodin vuotovirta on alle 10 mikroampeeria. Lisäksi piirin sisäinen rakenne on optimoitu toimimaan suurissa virtapiikeissä, ja minimoimaan eteenpäin jännite suurilla virroilla.

Piikarbididiodi vähentää tehokkaasti häviöitä sekä päälle kytkettäessä että takavirtatilanteissa. Itse asiassa takavirran osalta häviö on alle kymmenesosa siitä, mitä perinteinen piidiodi menettää takavirtatilanteessa. Kuvat 2a ja 2b esittävät piikarbididiodin vaikutusta moduulin takavirtahäviöiden ja päällekytkennän häviöiden vähentämisessä. Kuvan 2a alemmat aaltomuodot esittävät takavirran pienentymistä niin, että kuvassa 2b esitetyt häviöt kutistuvat 97 prosenttia. Kuvan 2a ylempi aaltomuoto esittää, kuinka käyttämällä piikarbididiodia säästetään huimasti energiaa myös päälle kytkettäessä.

Kuva 2a. Moduulin päällekytkentävirta ja takavirta FRD-diodilla ja piikarbididiodilla (SiC SBD).

Kuva 2b. Takavirtahäviöiden vertailu moduuleissa, joissa käytetään perinteistä piidiodia ja piikarbididiodia.

Moduulin muovinen kotelointi on suunniteltu lisäämään luotettavuutta ja pienentämään lämpöresistanssia. Sisäisesti moduulissa on alumiini-piikarbidi -pohjainen MMC-peruslevy (Metal Matrix Composite), jonka lämpöresistanssi on erittäin alhainen ja CTE-lämpölaajeneminen (Coefficient of Thermal Expansion) hyvin vähäistä. Näiden avulla rakenne ei väsy lämmön takia ja se kestää hyvin useita lämpenemis-jäähtymis -jaksoja. Näin pidennetään tuotteen elinkaarta. Moduulin materiaaleissa näkyy CTI-indeksi (Comparative Tracking Index), minkä avulla tuote voidaan eristää korkeita jännitteitä vastaan.

Moduulin suorituskyvyn analyysi

Kuva 3 vertailee half-bridge -kokoisen invertterin häviöitä, kun käytössä on viimeisin hybridimallinen 1700V/1200A IEGT/piikarbidimoduuli ja aiemman sukupolven ratkaisu perinteisellä piipohjaisella FRD-diodilla. Kaavio osoittaa, että hybridimoduulin häviöt ovat jopa 30 prosenttia pienemmät.

Kuva 3. Hybridityyppisen IEGT/piikarbididiodi -moduulin tehohäviöt ovat selvästi aiemman polven ratkaisuja pienemmät.

Merkittävä parannus tehokkuudessa tuo lisää etuja, kun jäähdytysjärjestelmän ja muiden moottorinohjauksen komponenttien kokoa voidaan pienentää. Kaiken kaikkiaan invertterin kokoa voidaan näin pienentää jopa 40 prosenttia.