Бытовое индукционное решение с использованием силовых полупроводниковых приборов на базе SSR

Здравствуйте, приветствуем всех, кто заглянул сегодня в новый пост. В этой статье описывается несколько решений по замене ЭМР в бытовых приборах на современные силовые полупроводниковые приборы, удовлетворяющие I-V статическим характеристикам, необходимым для функционирования БСР.

Темы, рассмотренные в статье:
I. Двунаправленные переключатели (BDS) в твердотельных реле
II. Реализация решений BDS
II. Характеристика и результаты
IV. Заключение

Несмотря на значительный прогресс в области промышленных твердотельных реле (ПТР) средней мощности, сохраняются проблемы с индукционным нагревом в бытовых приборах. Этот процесс включает в себя двухступенчатое преобразование энергии: выпрямление переменного напряжения через диодный мост, а затем подачу постоянного напряжения шины (VBUS) на инверторы для подачи высокочастотного тока на индукционные катушки. Традиционные индукционные установки с несколькими нагрузками сталкиваются с ограничениями, связанными с необходимостью использования отдельных инверторов для удовлетворения индивидуальных потребностей в электроэнергии. В технологии мультиплексирования нагрузок для параллельной работы различных нагрузок (Leq,1, Leq,2 и т.д.), резонирующих с конденсаторными батареями, используются двунаправленные однополюсные переключатели (SPDT) с временным мультиплексированием, как показано на рис. 1.

fig1

Рис. 1 Схема системы индукционного нагрева

Электромеханические реле (ЭМР) экономически выгодны для блоков силовых подсхем с низким сопротивлением включения (5-10 мОм). Однако их применение ограничено напряжениями/токами свыше 400 В переменного тока/20~30 А. Эти проблемы подчеркивают актуальность разработки полупроводниковых конструкций для оптимизации эффективности системы. Переход от ЭМР к передовым приборам на основе SiC/GaN обещает повысить производительность, обработку напряжения/тока и мультиплексирование мощности, что станет стимулом для применения SSR в промышленных приложениях средней мощности, в частности, в индукционном нагреве современной бытовой техники.

Ⅰ. Двунаправленные переключатели (BDS) в твердотельных реле
Ниже приведены некоторые из решений BDS в интересующих нас диапазонах напряжений и токов:
A. Одиночное устройство: Стандартные TRIAC предлагают встроенный снаббер (BDS) с низкими потерями во включенном состоянии (около 1,15 В при 30 А для устройства на 800 В). Однако они имеют ограничения по поведению в выключенном состоянии при коммутации тока включения (dI/dt)C. Бесшумные TRIAC улучшили совместимость с приложениями 50-60 Гц, но все еще не удовлетворяют специфическим требованиям.

B. Несколько силовых устройств: В настоящее время IGBT с обратной блокировкой (RB-IGBT) являются единственными коммерчески доступными устройствами с монолитной интеграцией модифицированных IGBT-структур и возможностью обратной блокировки. Работая при напряжении 600 В, эти RB-IGBT имеют напряжение насыщения (VCE(sat)) около 1,5 В при 30 А. Альтернативные варианты в диапазоне 650 В включают траншейные IGBT в паре с антипараллельными диодами для низкого VCE(sat) (<1 В при 30 А), IGBT с обратной проводимостью (RC-IGBT) со встроенными диодами (VCE(sat) ~1. 25 В при 30 А), а также планарные MOSFET на основе кремния (Si) или Si SuperJunction (SJ) MOSFET, известные более низким сопротивлением включения и потерями проводимости, чем IGBT. Все большее распространение получают новые устройства на основе карбида кремния (SiC) и транзисторы с высокой подвижностью электронов из нитрида галлия (GaN HEMT), которые обеспечивают меньшие размеры микросхем, меньшее сопротивление включения и более высокую плотность мощности. Выбор устройства зависит от конкретных прикладных задач, при этом перспективным является использование монолитных GaN BDS.

Ⅱ. Реализация решений в области BDS
На рис. 2 показана общая структура, характерная для рассмотренных тестовых машин. Они опираются на два основных входа: управляющий сигнал (VIN = 0 В / 5 В) и внешний источник питания (VAC). Эти входы подаются на силовые клеммы BDS (Bridge Diode Switch), которые электрически изолированы от входов. Работа этих тестовых устройств зависит от таких факторов, как количество силовых приборов, их расположение в BDS и требования к их управлению (например, управление напряжением/током, режимы "нормально включен/нормально выключен"). Соответственно, для каждого решения разрабатывается своя схема управления.

Рис. 2 блок-схема испытываемых транспортных средств.

fig2

Рис. 2 Блок-схема испытуемых машин.

В исследовании рассмотрены тринадцать реализаций, использующих различные полупроводниковые технологии. TRIAC, рассматриваемые в качестве эталонных, управляются с помощью стандартных IGBT-драйверов, несмотря на более высокие потери управления и потребляемую мощность (1 Вт). Каскоды, IGBT- и MOSFET-транзисторы демонстрируют низкие потери управления, при этом требуется всего два источника питания мощностью 200 мВт. Однако для RB-IGBT BDS требуются отдельные драйверы и источники питания для каждого устройства, что увеличивает сложность управления, потери и стоимость. Для SiC MOS FET требуются нестандартные источники питания, что повышает сложность и стоимость управления. Источники питания различного напряжения используются для смещения драйверов затворов с оптопарой, вырабатывая сигнал управления затвором (VCON), который включает или выключает устройства силового каскада. Для обеспечения

безопасной работы предусмотрена защита от перенапряжения затворов и силовых каскадов, а также система обнаружения нулевого тока.

СБИС на основе GaN HEMTs и SiC JFETs отличаются низкими потерями на управление (два источника питания мощностью 50 и 100 мВт), но требуют специальных драйверов затворов и оптопар из-за уникальных управляющих напряжений. GaN HEMT обеспечивают возможность 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 большим потерям на управление (мощность 10 Вт) и необходимости использования отдельных оптопар и драйверов.

Ⅲ. Характеристика и результаты
В анализируемой области применения преобладают потери на проводимость, что связано с низкой частотой переключения БДС. Статические I-V-кривые получены с помощью прибора TEK 371A для каждого испытуемого БДС в прямом и блокирующем режимах с использованием площади оголенного кристалла, измеренной с помощью сканирующего акустического микроскопа Sonoscan GEN-5. Эти кривые позволяют получить статические плотности тока (JD) и профили JD-VBDS. Все рассмотренные решения пригодны для реализации BDS, однако биполярные приборы демонстрируют небольшое напряжение смещения, что может привести к незначительным искажениям переменного тока/напряжения на BDS в области пересечения нуля и увеличению потерь мощности. Напротив, HEMT, MOSFET и JFET обеспечивают симметричную проводимость в первом и третьем квадрантах.

fig3

Рис. 3 Схема испытательной установки.

В исправном БДС при приближении IBDS к нулю и начале подачи напряжения VBUS паразитные RLC-элементы могут вызывать колебания. Эти колебания, определяемые выходными емкостями приборов (Coss), изменяются по амплитуде и частоте, что объясняет более низкую частоту колебаний у медленных приборов. БДС SiC BJT+SiC диод Шоттки испытывает минимальные колебания напряжения при блокировке, но имеет пик тока, связанный с обратным восстановлением BJT. Интеграция в единый кристалл может уменьшить этот пик. RB-IGBT и BDS на основе SiC/GaN демонстрируют хорошую динамику, при этом GaN HEMT имеют отличные характеристики, что делает их экономически эффективной среднесрочной заменой EMR.

Ⅳ. Заключение
Проведенный эксперимент продемонстрировал возможность использования перспективных силовых полупроводниковых приборов в качестве альтернативы ЭМР в бытовой технике. Различные решения удовлетворяли необходимым для функционирования БДС статическим характеристикам I-V, при этом БДС на основе SiC JFET, SiC MOSFET и GaN HEMTs превосходили остальные благодаря минимальному падению напряжения проводимости. SiC JFET продемонстрировали еще больший потенциал при наличии большего количества переключателей. GaN HEMT оказались в лидерах по замене ЭМР, в первую очередь благодаря своим лучшим характеристикам, особенно с учетом возможности монолитной интеграции.