Технология криогенного охлаждения с использованием устройств SiC и GaN

Привет всем, добро пожаловать в новый пост сегодня. В этой статье представлены характеристики и проблемы устройств WBG в приложениях криогенного охлаждения и демонстрируется их работа.

Темы, затронутые в этой статье:

Ⅰ. Демонстрация преобразователей SiC с использованием криогенного охлаждения

Ⅱ. Демонстрация работы преобразователя МВт-уровня с криогенным охлаждением

Ⅲ. Проблемы SiC и GaN в криогенном охлаждении

Ⅳ. Заключение

Несмотря на то, что силовая электроника добилась значительных успехов с использованием традиционных кремниевых (Si) устройств, сейчас акцент смещается на полупроводниковые устройства с широкой запрещенной зоной (WBG), в частности на карбид кремния (SiC) и нитрид галлия (GaN). Эти устройства WBG привлекают все большее внимание благодаря своим выдающимся характеристикам, включая низкое сопротивление в открытом состоянии, высокую скорость переключения и высокое напряжение пробоя. Преобразователи мощности на основе полупроводников WBG демонстрируют значительно более высокие характеристики, эффективность, удельную мощность и надежность по сравнению с преобразователями, в которых используются традиционные кремниевые устройства.

Применение криогенного охлаждения, которое предполагает сверхнизкие температуры ниже 123 К, открывает новые возможности в силовой электронике. Криогенное охлаждение обычно достигается за счет использования таких веществ, как жидкий азот или гелий, и дает многочисленные преимущества для силовой электроники. Интеграция силовой электроники в CryСистемы с генным охлаждением устраняют необходимость в отдельных теплоизоляционных контейнерах, тем самым снижая сложность, стоимость, размер и вес.

Криогенное охлаждение имеет значительный потенциал для различных применений, включая силовые установки электрических самолетов или системы сверхпроводящих машин, где интеграция силовой электроники в криогенно охлаждаемую среду может существенно повысить производительность системы и снизить общую сложность. Кроме того, криогенное охлаждение может предложить общие преимущества для силовой электроники, такие как повышение производительности полупроводниковых устройств WBG при низких температурах, возможность эксплуатации устройств на более высоких частотах переключения, снижение требований к охлаждению и возможность создания легких и эффективных проводников.

Ⅰ. Демонстрация преобразователей SiC с использованием криогенного охлаждения

Характеристики устройства при криогенных температурах:

Для изучения поведения силовых устройств при экстремально низких температурах в лабораторных условиях обычно используется криогенная температурная камера. В этой камере для регулирования температуры используется жидкий азот, что позволяет ей варьироваться от комнатной температуры до минимум 93 К. Камера спроектирована с теплоизоляцией как внутри, так и снаружи для поддержания желаемой температуры.

Рисунок 1: Тестовая установка для демонстрации при криогенных температурах.

Установка, аналогичная показанной на рисунке 1, используется для статических испытаний. Измеритель кривой B1505A подключается к тестируемому устройству (DUT) для измерения его выходных и передаточных характеристик. Метод подключения по шкале Кельвина используется для минимизации ошибок измерения, вызванных длинными кабелями.

Сводка характеристик устройств из SiC и GaN при криогенных температурах

На рисунке 2 показано сравнение удельного сопротивления в открытом состоянии выбранных устройств. И кремниевые (Si) MOSFET, и HEMT из нитрида галлия (GaN) демонстрируют значительно более низкое удельное сопротивление в открытом состоянии при криогенных температурах. Однако у Si MOSFET начинает наблюдаться увеличение удельного сопротивления в открытом состоянии при очень низких температурах (< 100 K) из-за вымерзания носителей, в то время как у GaN HEMT сопротивление продолжает снижаться.

Рисунок 2: Удельное сопротивление во включенном состоянии в зависимости от температуры между различными устройствами.

С другой стороны, МОП-транзисторы из карбида кремния (SiC) демонстрируют заметное увеличение удельного сопротивления в открытом состоянии при криогенных температурах. Среди устройств GaN HEMT демонстрируют самое низкое удельное сопротивление в открытом состоянии при криогенных температурах, достигая более чем пятикратного снижения по сравнению со значениями комнатной температуры.

Рисунок 3: Зависимость напряжения пробоя от температуры для различных устройств.

Как показано на рисунке 3, SiC MOSFET и GaN HEMT обычно демонстрируют относительно постоянное напряжение пробоя, в то время как Si MOSFET демонстрируют пониженное напряжение пробоя при понижении температуры от комнатной температуры до криогенного уровня.

Ⅱ. Демонстрация работы преобразователя МВт-уровня с криогенным охлаждением

Мощный инвертор на основе силового модуля из карбида кремния (SiC), предназначенный для электродвигателей самолетов, может выдавать мощность в мегаватт (МВт). В этом инверторе используется технология криогенного охлаждения для повышения его производительности. Он работает с входом постоянного тока, питаемым от шины ±500 В, и в конечном итоге генерирует трехфазный выходной сигнал с основной частотой, которая может достигать 3 кГц.

Выбор устройства

Устройства Si MOSFET и GaN HEMT превосходно работают при криогенных температурах, но отсутствие сильноточных силовых модулей и подходящей коммерческой упаковки создает проблемы для МВт-инверторов. Следовательно, выбран сильноточный силовой модуль SiC. Хотя прямое криогенное охлаждение невозможно для SiC, криогенные температуры по-прежнему приносят пользу инвертору, обеспечивая более низкую температуру окружающей среды, что приводит к более низким температурам перехода SiC-устройства при работе на высокой мощности и повышению эффективности. Криогенное охлаждение также полезно для шин и обмоток фильтров.

Характеристика ограничена температурами выше 225 К, чтобы защитить силиконовый гель. Наименьшее сопротивление в открытом состоянии достигается около 257 К, что позволяет оптимизировать систему охлаждения для поддержания температуры перехода вблизи этого значения. В инверторе используется трехуровневая топология с фиксированной активной нейтральной точкой (3L-ANPC), в которой два инвертора мощностью 500 кВт включены параллельно и чередуются через связанные индукторы для достижения выходной мощности 1 МВт при одновременном снижении гармонических пульсаций. Фильтры электромагнитных помех подавляют шум и соответствуют стандартам DO-160 для применения в самолетах.

Проектирование и интеграция системы охлаждения

Рисунок 4: Концепция охлаждения холодного газа азотом.

Чтобы преодолеть ограничения прямого охлаждения силового модуля SiC жидким азотом, принят альтернативный подход с использованием охлаждения газообразным холодным азотом. На рисунке 4 показана концепция охлаждения, при которой газообразный азот проходит через змеевики, погруженные в ведро с жидким азотом. Газ охлаждается жидким азотом, а затем направляется на холодную пластину силового модуля. Эффективность охлаждения можно регулировать, контролируя скорость потока газа через регулятор и регулируя количество витков змеевиков, погруженных в жидкий азот.

Ⅲ. Проблемы SiC и GaN в криогенном охлаждении

Криогенное охлаждение обеспечивает улучшенные характеристики устройств с широкой запрещенной зоной (WBG), особенно GaN HEMT, по сравнению с охлаждением при комнатной температуре. Это также дает преимущества силовым преобразователям на базе WBG, такие как снижение требований к охлаждению благодаря более низкой рабочей температуре и использованию легких и эффективных проводников (например, шин и обмоток индуктивности) при низких температурах. Тем не менее, внедрение криогенного охлаждения в конструкции силовых преобразователей ставит новые проблемы, требующие тщательного рассмотрения. Применение устройств WBG с криогенным охлаждением все еще находится на ранних стадиях и еще не достигло технологической зрелости.

Упаковка

Упаковка силовых модулей включает в себя электрические, тепловые и механические аспекты проектирования. Исследователи и производители решают проблему создания технологий упаковки, которые сводят к минимуму паразитные воздействия, обеспечивают токовую и тепловую балансировку между несколькими кристаллами и выдерживают высокие электрические поля и температуры. Однако коммерчески доступные пакеты не рассчитаны на криогенную работу.

Герметики на основе силиконового геля, обычно используемые в упаковке, не подходят для криогенных температур из-за снижения напряжения пробоя, вызванного частичным разрядом. Материалы на основе эпоксидной смолы могут функционировать при криогенных температурах, но их хрупкость вызывает беспокойство. Возможна упаковка без инкапсуляции, но она может подвергнуть модули воздействию окружающей среды и нарушить изоляцию. Термомеханическое напряжение является еще одной проблемой, требующей тщательного управления коэффициентами теплового расширения, чтобы предотвратить деградацию упаковки и выход устройства из строя.

ЭМИ-фильтр

Фильтр электромагнитных помех играет решающую роль в подавлении электромагнитных помех и обеспечении соответствия стандартам электромагнитных помех в преобразователях мощности. Криогенные температуры обеспечивают более быстрое переключение, что обеспечивает более высокие рабочие частоты и снижает потребность в пассивных фильтрах электромагнитных помех. Однако при этом также концентрируются электромагнитные помехи в высокочастотном диапазоне, что усложняет разработку фильтров из-за неидеального поведения пассивных компонентов и эффектов связи. Криогенное охлаждение полезно для обмотки индуктора, но отрицательно влияет на магнитный сердечник. Оптимизация конструкции корпуса фильтра для балансировки потерь в сердечнике и обмотке и максимизации преимуществ криогенного охлаждения требует дальнейших исследований.

Система охлаждения

Криогенные системы охлаждения представляют собой большую сложность и проблемы по сравнению с системами охлаждения при комнатной температуре. Особые требования к криогенному охлаждению включают такие факторы, как отсутствие утечек для предотвращения повышения высокого давления внутри корпуса конвертера из-за значительно более высокой плотности жидкого азота по сравнению с воздухом. Следовательно, обеспечение адекватной теплоизоляции для защиты операторов от чрезвычайно низких температур жидкого азота и предотвращения травм, а также обеспечение хорошей воздушной изоляции, поскольку низкая температура жидкого азота или холодного газа может привести к замерзанию паров в воздухе и потенциально привести к коротким замыканиям внутри преобразователь. Соображения безопасности и оценки рисков должны быть включены в конструкцию системы охлаждения.

Ⅳ. Заключение

GaN HEMT значительно снижают сопротивление в открытом состоянии при криогенных температурах, тогда как SiC MOSFET демонстрируют повышенное сопротивление в открытом состоянии. GaN HEMT демонстрируют более высокую скорость переключения и меньшие потери при переключении, тогда как SiC MOSFET демонстрируют более медленную скорость переключения и увеличенные потери при переключении при криогенных температурах. Оба типа устройств поддерживают относительно постоянное напряжение пробоя в широком диапазоне температур.

Инвертор SiC мощностью МВт с криогенным охлаждением обеспечивает высокую мощность и эффективность, что делает его многообещающим решением для силовой установки самолетов. Также продемонстрирована сильноточная работа GaN HEMT с криогенным охлаждением. Обсуждаются проблемы и соображения, связанные с корпусом, приводом затвора, защитой, фильтрацией электромагнитных помех и системами охлаждения, подчеркивая их важность в приложениях криогенного охлаждения для устройств WBG.