Бытовое индукционное решение с использованием силовых полупроводниковых устройств на основе ТТР

Привет всем, добро пожаловать в новый пост сегодня. В данной статье описаны несколько решений по замене ЭМИ в бытовой технике на современные силовые полупроводниковые приборы, соответствующие статическим ВАХ, необходимым для функциональности БДС.

Темы, затронутые в этой статье:

Ⅰ. Двунаправленные переключатели (BDS) в твердотельных реле

Ⅱ. Внедрение решений BDS

Ⅲ. Характеристика и результаты

Ⅳ. Заключение

Несмотря на значительные достижения в области промышленных полупроводниковых реле (SSR) средней мощности, проблемы с индукционным нагревом бытовых приборов сохраняются. Этот процесс включает в себя двухэтапное преобразование энергии: выпрямление переменного напряжения через диодный мост, затем подача напряжения шины постоянного тока (VBUS) в инверторы для подачи высокочастотного тока на индукционные катушки. Обычные индукционные установки с несколькими нагрузками сталкиваются с ограничениями из-за отдельных инверторов для индивидуальных потребностей в электроэнергии. Метод мультиплексирования нагрузок использует однополюсные, двухпозиционные (SPDT) двунаправленные переключатели (BDS) с временным мультиплексированием для параллельной работы различных нагрузок (Leq,1, Leq,2 и т. д.), резонирующих с батареями конденсаторов, например видно на рисунке 1.

Рис. 1. Схема системы индукционного нагрева.

Электромеханические реле (EMR) экономически эффективны для блоков силовых подсхем с низким сопротивлением в открытом состоянии (5–10 мОм). Однако их использование ограничено напряжениями/токами, превышающими 400 В переменного тока/20–30 А. Эти проблемы подчеркивают актуальность разработки полупроводниковых конструкций для оптимизации эффективности системы. Переход от ЭМИ к усовершенствованным устройствам на основе SiC/GaN обещает повышение производительности, управление напряжением/током и мультиплексирование мощности, что продвигает решения ТТР для промышленных приложений средней мощности, особенно в индукционном нагреве для современной бытовой техники.

Ⅰ. Двунаправленные переключатели (BDS) в твердотельных реле

Некоторые из решений BDS, которые находятся в представляющих интерес диапазонах напряжения и тока, следующие:
A. Одно устройство: стандартные симисторы имеют встроенный демпфер (BDS) с низкими потерями в открытом состоянии (около 1,15 В при токе 30 А для устройство на 800 В). Но у них есть ограничения в поведении при выключении для коммутации тока открытого состояния (dI/dt)C. Симисторы без демпфера имеют улучшенную совместимость с приложениями с частотой 50–60 Гц, но все же не соответствуют конкретным потребностям.

B. Несколько силовых устройств. В настоящее время IGBT с обратной блокировкой (RB-IGBT) являются единственными коммерчески доступными устройствами с монолитной интеграцией модифицированных структур IGBT и возможностями обратной блокировки. Работая при напряжении 600 В, эти RB-IGBT обеспечивают напряжение насыщения (VCE(sat)) примерно 1,5 В при токе 30 А. Альтернативы в диапазоне 650 В включают траншейные IGBT в паре с встречно-параллельными диодами для низкого напряжения VCE(sat) (<1 В при 30 А), IGBT обратной проводимости (RC-IGBT) со встроенными диодами (VCE(sat) ~ 1,25 В при 30 А), а также планарные МОП-транзисторы на основе кремния (Si) или МОП-транзисторы Si SuperJunction (SJ), известные -потери сопротивления и проводимости, чем у IGBT. Новые устройства на основе карбида кремния (SiC) и транзисторы с высокой подвижностью электронов на основе галлия (GaN HEMT) набирают обороты, предлагая меньшие размеры чипов, меньшее сопротивление в открытом состоянии и более высокую плотность мощности. Выбор устройства зависит от конкретных потребностей приложения, при этом монолитный GaN BDS может стать многообещающим вариантом в будущем.

Ⅱ. Внедрение решений BDS

На рисунке 2 изображена общая структура проанализированных тестовых автомобилей. Они полагаются на два основных входа: управляющий сигнал (VIN = 0 В/5 В) и внешний источник питания (VAC). Эти входы подаются на силовые клеммы BDS (мостовой диодный переключатель), которые электрически изолированы от входов. Работа этих тестовых автомобилей варьируется в зависимости от таких факторов, как количество силовых устройств, их расположение в BDS и требования к вождению (например, управление напряжением/током, режимы «нормально включено» и «нормально выключено»). Следовательно, для каждого решения разрабатывается уникальная схема управления.

Рис. 2. Блок-схема тестируемых автомобилей.

В исследовании рассматриваются тринадцать реализаций с использованием различных полупроводниковых технологий. Симисторы, рассматриваемые как эталонные, управляются с помощью стандартных драйверов IGBT, несмотря на более высокие потери управления и потребность в источнике питания (1 Вт). Каскоды, IGBT и BDS на основе MOSFET демонстрируют низкие потери управления при использовании всего лишь двух источников питания мощностью 200 мВт. Однако для BDS RB-IGBT требуются отдельные драйверы и источники питания для каждого устройства, что увеличивает сложность управления, потери и затраты. Для SiC MOS FET требуются нестандартные источники питания, что увеличивает сложность управления и стоимость. Источники питания различного напряжения используются для смещения драйверов с оптической связью затвора, создавая сигнал управления затвором (VCON), который включает или отключает устройства силового каскада. Встроена защита от перенапряжения для ворот и силовых ступеней, а также система обнаружения нулевого тока для обеспечения безопасной работы.

BDS на основе GaN HEMT и SiC JFET имеют низкие потери управления (два источника питания мощностью 50 и 100 мВт), но требуют специальных драйверов затворов и оптронов из-за уникальных управляющих напряжений. GaN HEMT предлагают возможности монолитной интеграции, но обе технологии требуют дополнительных мер безопасности, таких как TVS для защиты от перенапряжения. SiC BJT требуют значительных токов затвора, что приводит к высоким потерям управления (источник питания 10 Вт) и необходимости использования отдельных оптронов и драйверов.

Ⅲ. Характеристика и результаты

В рамках анализируемого приложения потери проводимости являются преобладающими из-за низких частот переключения BDS. Кривые статической ВАХ получены с помощью индикатора кривых TEK 371A для каждого испытательного автомобиля BDS в прямом и блокирующем режимах с использованием площадей голого кристалла, измеренных с помощью сканирующего акустического микроскопа Sonoscan GEN-5. Эти кривые отображают статические плотности тока (JD) и профили JD-VBDS. Все рассмотренные решения подходят для реализации BDS, но биполярные устройства демонстрируют небольшое напряжение смещения, что потенциально может привести к незначительным искажениям переменного тока/напряжения на BDS в области перехода через нуль и увеличению потерь мощности. И наоборот, HEMT, MOSFET и JFET обеспечивают симметричную проводимость в первом и третьем квадрантах.

Рис. 3. Схема испытательной установки.

В функциональном BDS, когда IBDS приближается к нулю и начинается VBUS, паразитные элементы RLC могут вызывать колебания. Эти колебания, определяемые выходной емкостью устройства (Coss), различаются по амплитуде и частоте, что объясняет более низкие частоты колебаний более медленных устройств. SiC BJT+SiC диод Шоттки BDS испытывает минимальные колебания напряжения во время блокировки, но имеет пик тока из-за обратного восстановления BJT. Интеграция в один чип могла бы уменьшить этот пик. RB-IGBT и BDS на основе SiC/GaN демонстрируют хорошую динамику, а GaN HEMT обеспечивают превосходные характеристики, что делает их экономически эффективной заменой EMR в среднесрочной перспективе.

Ⅳ. Заключение

Эксперимент продемонстрировал возможность создания современных силовых полупроводниковых устройств в качестве альтернативы ЭМИ в бытовой технике. Различные решения соответствуют необходимым статическим характеристикам ВАХ для функциональности BDS: SiC JFET, SiC MOSFET и BDS на основе GaN HEMT превосходят другие благодаря минимальному падению напряжения проводимости. SiC JFET показали еще больший потенциал, если бы было доступно больше переключателей. GaN HEMT стали лучшей заменой EMR, в первую очередь благодаря их превосходным характеристикам, особенно с учетом потенциальной монолитной интеграции.