Полупроводниковые приборы нового поколения на основе карбида кремния и особенности их охлаждения

1. ЗАО НПК «Электровыпрямитель» Полупроводниковые приборы нового поколения на основе карбида кремния и особенности их охлаждения

2. 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

3. Преимущества полупроводниковых приборовна основе карбида кремния

4. Существенное сокращение динамических потерь в IGBT Мощностные потери на IGBT/FWD Сравнение параметров IGBT на кремнии (Si) и карбиде кремния (SiC) SiC10 FWD Ватт Si FWD Ватт Снижение % Параметр FWD коммутационные потери (Ватт) IGBT прямые потери IGBT коммутационные потери (Ватт) FWD прямые потери IGBT коммутационные потери FWD прямые потери (Ватт) FWD коммутационные потери IGBT прямые потери (Ватт) Общие коммутационные потери Общие прямые потери Si FWD Ватт SiC10 FWD Ватт Общие потери инвертора - 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

5. Области применения полупроводниковыхприборов на основе SiC Металлургия и машиностроение Военно-морской флот Светотехнические устройства на основе светодиодов Авиационная и космическая техника Атомная энергетика Полупроводниковые приборы на основе SiC Нефтехимия Авиарадары, СВЧ-связь Электромобили

6. 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.

7. Номенклатура производимых и разрабатываемых в мире полупроводниковых приборов на основе карбида кремния (SiC) - в разработке - в производстве

11. 2012 – 2013 гг. Площадь чипа – 1см×1 см. Активная площадь чипа – 0.42 см2 17 кВ, 20 А 2011 – 2012 гг. Площадь чипа – 8.4 мм×8.4 мм. Активная площадь чипа – 0.32 см2 15 кВ, 20 А 2010 – 2011 гг. Площадь чипа – 6.7 мм×6.7 мм. Активная площадь чипа – 0.16 см2 12 кВ, 10 А Этапы разработки IGBT транзисторов на SiC фирмы Cree

12. Модуль на основе карбидокремниевых запираемых тиристорах фирмы Cree Быстрое переключение импульсного тока в SiCмодуле на запираемых тиристорах (GTO) Общее количество SiC p GTO– 4 ряда (8×10 кВ)

16. Замена высоковольтных силовых кремниевых приборов на карбидокремниевые приборы позволит:- существенно сократить массо-габаритные показатели мощных преобразователей электрической энергии Преобразователи электрической энергии изготовленные на полупроводниковых приборах на основе карбида кремния (SiC) Современные преобразователи электрической энергии изготовленные на полупроводниковых приборах на основе кремния (Si) Достигнутые параметры* Перспективные параметры** SiC инвертер фирмы APEI, Inc., (США) мощность 5 кВт, объем 6 дм3 Si Инвертер мощность 5 кВт, объем 43 дм3 SiC преобразователь мощность 75 кВт, объем2,5 дм3 ПЧ-ТТП-160-380-50-2 мощность 75 кВт, объем 500 дм3 150 Вт/дм3 116 Вт/дм3 833 Вт/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)

17. 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 карбид- кремниевых приборах вместо преобразователей на кремниевых приборах. Вполне вероятно, что к 2020 году значительная часть военной и гражданской силовой электроники США и стран НАТО будет производиться на основе SiC и GaN. Образцы разрабатываемой военной техники США, в которой будут использованы приборы на основе карбида кремния (в рамках программы развития гибридного электрического транспорта Американской Армии ) Бронированная военная техника для ведения боевых действий (дизельные двигатели на 150 кВт – 500 кВт),будет произведено около 120,000единиц Тяжелая военная техника (дизельные двигатели на 225 кВт – 500 кВт),будет произведено около 95,000 единиц

18. 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 наоснове SiC в ближайшие 10 лет Научные исследования Морские суда Электросети Ж/Д траснпорт Инверторы Ветротурбины Электродвигатели Объем рынка (млн. долларов США) Источники Бесперебойного Питания Гибридный транспорт Корректоры Коэффициента Мощности Предварительный прогноз объема рынка SiC приборов основанный на коммерческих продажах

19. Конструкция модуля М2ДЧ-50-12 с кристаллами диодов Шоттки на основе SiC CPW3-1200S010

20. 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.

21. 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

22. Результаты моделирования распределения температуры в модуле М2ДЧ-50-12