Transcript Полупроводниковые приборы ЗАО НПК Электровыпрямитель

ЗАО НПК
«Электровыпрямитель»
Полупроводниковые приборы
нового поколения на основе
карбида кремния и особенности
их охлаждения
Уникальные электрофизические свойства карбида кремния позволили
разработать полупроводниковые приборы нового поколения,
позволяющие кардинально улучшить параметры преобразователей
электрической энергии
Проводящие подложки и эпитаксиальные структуры
монокристаллического карбида кремния (SiC) 4Н
политипа
Преимущества полупроводниковых приборов
на основе карбида кремния
Карбид кремния
Кремний
Диоды Шоттки
до 5 кВ
Диоды Шоттки
до 0,2 кВ
Биполярные
приборы
до 50 кВ
Биполярные
приборы
до 8 кВ
Высокие рабочие
температуры
Биполярные
приборы
до 600-700 ˚С
Полевые приборы
до 250-300˚С
Биполярные
приборы
до 120-200 ˚С
Полевые приборы
до 150-175˚С
Высокая устойчивость
к радиации
1016 нейтронов/см2
1014 нейтронов/см2
100 кГц
10 кГц
Преимущества
Высокие рабочие
напряжения
Высокая рабочая частота
Существенное сокращение динамических потерь в IGBT
Сравнение параметров IGBT на кремнии (Si) и карбиде
кремния (SiC)
Параметр
Si FWD
Ватт
SiC10 FWD
Ватт
Мощностные потери на IGBT/FWD
Снижение
%
IGBT прямые потери
FWD коммутационные
потери (Ватт)
FWD прямые потери
IGBT коммутационные
потери (Ватт)
IGBT коммутационные потери
FWD прямые потери
(Ватт)
FWD коммутационные потери
IGBT прямые потери
(Ватт)
Общие коммутационные потери
Общие прямые потери
Общие потери инвертора
Si FWD
Ватт
SiC10 FWD
Ватт
- Si диод вносит более 50% в динамические потери в результате энергии
обратного восстановления
- SiC диод Шоттки устраняет эти потери, снижая суммарные потери в
инверторе - более чем на 33%
- SiC диод Шоттки снижает интенсивность ЭМИ
Области применения полупроводниковых приборов
на основе SiC
Военно-морской флот
Металлургия и
машиностроение
Авиационная и
космическая техника
Светотехнические устройства
на основе светодиодов
Атомная энергетика
Полупроводниковые
приборы
на основе SiC
Электромобили
Нефтехимия
Авиарадары, СВЧ-связь
В последние годы правительства США,
ведущих стран Европы и Юго-Восточной Азии
обеспечивают многомиллионным контрактами
фирмы
и
научные
центры,
которые
разрабатывают как военную, так и гражданскую
электронику на SiC и нитриде галлия (GaN).
В результате этих работ сейчас на основе SiC и
GaN за рубежом уже разработаны промышленные
образцы приборов силовой электроники нового
поколения
на
основе
широкозонных
полупроводниковых материалов и начато их
серийное производство.
Номенклатура производимых и разрабатываемых в мире
полупроводниковых приборов на основе карбида кремния (SiC)
№
п/п
Наименование прибора
Характеристики
Дискретные приборы на SiC
Полевые приборы на SiC
1
Интегрированные pn диоды Шоттки
2
JFET транзисторы
3
MOSFET транзисторы
Напряжение: 600 – 1700 В
Ток:
1 – 50 А
Напряжение: 600 – 1700 В
Ток:
1 – 50 А
Напряжение: 600 – 1700 В
Ток:
1 – 50 А
Биполярные приборы на SiC
4
Биполярные транзисторы
Напряжение: 1200 В
5
Запираемые тиристоры
Напряжение: 6500 В
6
Биполярные диоды
Напряжение: до 20 кВ
7
IGBT транзисторы
Напряжение: до 20 кВ
Модули на основе SiC
8
9
10
11
12
13
Диодный модуль на основе интегрированных pn диодов Шоттки
Модуль на основе JFET транзисторов и интегрированных pn диодов
Шоттки
Модуль на основе MOSFET транзисторов и интегрированных pn
диодов Шоттки
Гибридный модуль на основе Si IGBT транзисторов и SiC
интегрированных pn диодов Шоттки
Гибридный модуль на основе Si MOSFET транзисторов и SiC
интегрированных pn диодов Шоттки
Напряжение: 1700 В
Ток:
1600 А
Температура корпуса: 225°С
Высокотемпературные модули
- в разработке
Напряжение: 600 – 1700 В
Ток:
50 – 800 А
Напряжение: 600 – 1700 В
Ток:
50 – 300 А
Напряжение: 600 – 1700 В
Ток:
50 – 300 А
Напряжение: 600 – 1700 В
Ток:
50 – 800 А
Напряжение: 600 – 1700 В
Ток:
50 – 300 А
- в производстве
Напряжение: до 20 кВ
Этапы разработки IGBT транзисторов на SiC
фирмы Cree
2010 – 2011 гг.
Площадь чипа – 6.7 мм×6.7 мм.
Активная площадь чипа – 0.16 см2
12 кВ, 10 А
2011 – 2012 гг.
Площадь чипа – 8.4 мм×8.4 мм.
Активная площадь чипа – 0.32 см2
15 кВ, 20 А
2012 – 2013 гг.
Площадь чипа – 1см×1 см.
Активная площадь чипа – 0.42 см2
17 кВ, 20 А
Модуль на основе карбидокремниевых
запираемых тиристорах фирмы Cree
Общее
количество
SiC p GTO – 4
ряда
(8×10 кВ)
Замена высоковольтных силовых кремниевых приборов на карбидокремниевые
приборы позволит:
- существенно сократить массо-габаритные показатели мощных преобразователей
электрической энергии
Современные преобразователи электрической
энергии изготовленные на полупроводниковых
приборах на основе кремния (Si)
Преобразователи электрической энергии изготовленные на
полупроводниковых приборах на основе карбида кремния (SiC)
Достигнутые параметры*
ПЧ-ТТП-160-380-50-2
мощность 75 кВт,
объем 500 дм3
150 Вт/дм3
Si Инвертер
мощность 5 кВт,
объем 43 дм3
116 Вт/дм3
SiC инвертер фирмы APEI, Inc., (США)
мощность 5 кВт,
объем 6 дм3
833 Вт/дм3
Перспективные параметры**
SiC преобразователь
мощность 75 кВт,
объем 2,5 дм3
3000 Вт/дм3
Величина удельной мощности
- на 20-30% снизить потери электрической энергии в преобразователях;
- расширить сферы применения полупроводниковой электроники и ее
функциональные возможности.
* - источник: Семинар фирмы Acreo 2011 г. (Швеция)
** - источник: Семинар фирмы Acreo 2008 г. (Швеция)
Вполне вероятно, что к 2020 году значительная часть военной
и гражданской силовой электроники США и стран НАТО будет
производиться на основе SiC и GaN.
Новое поколение Авианосцев, США
К 2015 будет выпущен новый авианосец
USS Gerald R. Ford (CVN-78) , который
будет весить меньше на 170,000 кг. и
занимать на 290 м3 меньше объема,
благодаря использованию в нем
преобразователей
на
карбидкремниевых
приборах
вместо
преобразователей
на
кремниевых
приборах.
Образцы разрабатываемой военной техники США, в которой будут использованы приборы на
основе карбида кремния (в рамках программы развития гибридного электрического транспорта
Американской Армии )
Тяжелая военная техника (дизельные двигатели на 225 кВт –
500 кВт), будет произведено около 95,000 единиц
Бронированная военная техника для ведения
боевых действий (дизельные двигатели на 150 кВт
– 500 кВт), будет произведено около 120,000
единиц
К 2020 году прогнозируется рост рынка SiC и GaN приборов до 1 млрд.
долларов США (этот прогноз не включает бизнес, связанный с
обороной).
Прогноз применения приборов
на основе SiC в ближайшие 10 лет
Научные исследования
Объем рынка (млн. долларов США)
Морские суда
Электросети
Ж/Д траснпорт
Инверторы
Ветротурбины
Электродвигатели
Источники Бесперебойного Питания
Гибридный транспорт
Корректоры Коэффициента Мощности
Предварительный прогноз объема рынка SiC приборов
основанный на коммерческих продажах
Конструкция модуля М2ДЧ-50-12 с кристаллами диодов
Шоттки на основе SiC CPW3-1200S010
Математическая модель для расчета распределения
температуры в модуле М2ДЧ-50-12
pпр(t)=(U0+rдинi(t))·i(t)
P1 = P1пр + P1дин
U0 = 0,65 В
rдин = 0,2 Ом
P1дин=2,2 Вт
N – число диодов в модуле
Охладитель воздушный ОАО «Электровыпрямитель» тип 034:
тепловое сопротивление контактная поверхность охладителя – охлаждающая среда
Rthca
–1,2 °С/Вт при естественном охлаждении;
–0,31 °С/Вт при скорости охлаждающего воздуха 6 м/с.
Результаты моделирования распределения температуры в
модуле М2ДЧ-50-12
Ta = 45°C
Rthca = 1,2 °C/Вт
Tmax = 225°C
T = 28 °C
Rthjc = 0,23 °C/Вт
Rthja = 1,43 °С/Вт
Результаты моделирования распределения температуры в
модуле М2ДЧ-50-12
Tmax,°С
Rthca,
°C/Вт
Im, А
P, Вт
T, °С
Rthjc,
°С/Вт
Rthja,
°С/Вт
225
1,2
148
120
28
0,23
1,43
150
1,2
105
70
17
0,24
1,44
225
0,31
260
322
82
0,26
0,57
150
0,31
202
205
51
0,25
0,56