Diody Schottky ego z SiC w falownikach napięcia z krzemowymi tranzystorami MOSFET- badania eksperymentalne

Transkrypt

1 Mieczysław NOWAK, Roman BARLIK, Piotr GRZEJSZCZAK, Jacek RĄBKOWSKI Politechnika Warszawska, Instytut Sterowania i Elektroniki Przemysłowej Diody Schottky ego z SiC w falownikach napięcia z krzemowymi tranzystorami MOSFET- badania eksperymentalne Streszczenie. W cyklu dwóch publikowanych kolejno artykułów przedstawiono zagadnienia dotyczące oceny korzyści jakich można oczekiwać w zakresie poprawy właściwości użytkowych, w tym głównie sprawności energetycznej, urządzeń energoelektronicznych budowanych z zastosowaniem przyrządów z węglika krzemu (SiC). W pierwszym z dwóch artykułów zaprezentowano wyniki badań eksperymentalnych łączników oraz kompletnych niskonapięciowych trójfazowych falowników PWM (100V; 500VA) o częstotliwość przełączeń powyżej 50 khz, w których zastosowano krzemowe tranzystory MOSFET z diodami zwrotnymi w postaci diod Schottky ego z węglika krzemu. Wyznaczone eksperymentalnie łączeniowe straty energii wskazują na korzystne właściwości energetyczne falowników z przyrządami z SiC. Badania symulacyjne falowników o mocach 500VA i 5000VA przedstawiono w spójnym tematycznie artykule, zamieszczonym w niniejszym numerze. Abstract. In the two connected and published in serial numbers papers the simulation and experimental results are presented in order to determine impact of silicon carbide devices on reduction of power losses in the power electronics equipment. In this first one the experimental investigations results of alone switches consist of low voltage MOSFETs and anti-parallel SiC Schottky diodes as well as complete three phase PWM low voltage inverters operating at switching frequency over 50 khz (100V/500VA) have been presented. The experimentally determined switching and conducting losses show the good energetic properties of voltage source inverter built with MOSEFETs and SiC diodes. The simulating investigations of the 500VA and 5000VA inverters are the subject of the second paper which is published in this issue. (Silicon carbide Schottky Barrier Diodes in PWM voltage source inverters with MOSFETs - experimental investigations.). Słowa kluczowe: diody Schottky ego z węglika krzemu, SiC, tranzystory MOSFET, COOLMOS, falowniki PWM,. Keywords: Silicon Carbide Schottky Barrier Diode, SiC, MOSFET, COOLMOS, PWM inverter. Wstęp Spośród oferowanych obecnie przyrządów półprzewodnikowych z węglika krzemu na szczególne zainteresowanie z punktu widzenia energoelektroniki zasługują diody Schottky ego, których klasy napięciowe, dzięki dużej wytrzymałości węglika krzemu na przebicie (blisko dziesięciokrotnie większej niż krzem), mogą przekraczać nawet 1500V [1-3]. Dodatkowo, w wyniku pomijalnie małych ładunków i prądów wstecznych diod Schottky ego, daje się zaobserwować znaczące ograniczenie łączeniowych strat energii w tych przyrządach. Jest to szczególnie istotne w przypadku łączników o twardym przełączaniu, w których występują powtarzające się z wysoką częstotliwością procesy komutacyjne między tranzystorami i diodami. Ta właściwość zadecydowała o dość szerokim w chwili obecnej zastosowaniu diod Schottky ego z węglika krzemu w zasilaczach impulsowych o poprawionym współczynniku mocy (PFC), zwierających w swojej strukturze przekształtniki podwyższające napięcie [4-6], W okresie ostatnich kilku lat prowadzone są także prace nad wykorzystaniem diod Schottky ego z SiC do realizacji dwukierunkowych łączników hybrydowych, w których przyrządem sterowanym jest tranzystor IGBT. Obiecujące wyniki w odniesieniu do trójfazowych falowników napięcia PWM, złożonych z tego typu łączników hybrydowych zostały przedstawione m.in. w publikacjach [7-9]. W pracach [9-12] autorzy niniejszej publikacji zaprezentowali wyniki badań porównawczych trójfazowego układu mostkowego pełniącego funkcję uniwersalnego trójfazowego przekształtnika sieciowego PWM (prostownik, falownik, kompensator) o parametrach 3 400V/5 kva, zrealizowanego przy użyciu tranzystorów IGBT (50 A, 1200V) w wersji z diodami zwrotnymi w postaci superszybkich diod krzemowych PiN oraz w wersji z diodami Schottkye go z SiC. Zastąpienie diod krzemowych diodami z węglika krzemu pozwoliło na zmniejszenie strat energii przy częstotliwości przełączeń tranzystorów IGBT równej 10 khz o ok. 20%. Godne uwagi są także postępy w zakresie zastosowań tranzystorów węglikowo krzemowych typu JFET [1], [13], MOSFET [13] i BJT [14]. W dotychczasowej literaturze można znaleźć doniesienia o możliwości budowy łączników dwukierunkowych, złożonych z tranzystorów krzemowych MOSFET i diod zwrotnych w postaci diod Schottky ego z węglika krzemu [5], [13], [15], [17]. Brak jest jednak jednoznacznej ilościowej oceny porównawczej, wskazującej w jakim stopniu zastosowanie diod Schottky ego z węglika krzemu, jako diod zwrotnych w łącznikach z tranzystorami typu MOSFET, pozwala na zmniejszenie komutacyjnych strat energii w samych łącznikach oraz w kompletnych trójfazowych falownikach napięcia, sterowanych przy użyciu metody modulacji szerokości impulsów (PWM), z uwzględnieniem wysokich częstotliwości przełączeń (powyżej 50 khz) i różnych warunków zasilania, występujących w instalacjach niskonapięciowych (ok. 100V, telekomunikacja, instalacja samochodowa) i wysokonapięciowych (pow. 300V, powszechnie dostępna sieć zasilająca prądu przemiennego). Tym zagadnieniom są poświęcone dwa artykuły, których treść stanowi spójną merytorycznie całość. W niniejszym artykule, jako pierwszym z dwóch wymienionych, zaprezentowano wyniki porównawczych badań eksperymentalnych, ukierunkowanych na analizę jakościową i ilościową strat energii, zarówno w pojedynczych łącznikach dwukierunkowych, jak i kompletnych trójfazowych falownikach napięcia PWM z niskonapięciowymi tranzystorami MOSFET (150V) i z diodami zwrotnymi w postaci diod krzemowych oraz diod Schottky ego z węglika krzemu, przełączanymi z częstotliwością powyżej 50 khz. Na rysunku 1 przedstawiono schematy gałęzi fazowych falowników napięcia PWM z różnymi rozwiązaniami łączników półprzewodnikowych, w których elementem sterowanym jest tranzystor MOSFET. Ze względu na to, że w strukturze krzemowej tranzystorów typu MOSFET znajduje się zintegrowana strukturalnie dioda odwrotnie równoległa o niekorzystnych właściwościach dynamicznych (rys. 1a), zastosowanie w falownikach napięcia szybkiej diody zwrotnej w postaci diody Schottky ego z węglika krzemu wymaga włączenia szeregowo z tranzystorem diody D B, której zadaniem jest zablokowanie przepływu prądu zwrotnego przez wewnętrzna diodę tranzystora tak, że musi on płynąć przez diodę z SiC (rys. 1b). Funkcję diody blokującej D B może też 18 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN , R. 87 NR 10/2011

2 spełniać pracujący inwersyjnie niskonapięciowy (o małej rezystancji kanału) tranzystor MOSFET, który przy istnieniu dodatniego sygnału sterującego U GS i ujemnego napięcia U DS jest w stanie przewodzenia, wykazując jedynie rezystancję kanału (rys.1c). były równoważne warunkom pracy łączników tworzących gałąź fazową w falownikach napięcia. Rys.1. Schematy gałęzi fazowych falowników realizowanych z zastosowaniem tranzystorów typu MOSFET: a) rozwiązanie klasyczne bez dodatkowych diod (symbolami D1 i D2 oznaczono strukturalne wewnętrzne diody tranzystorów MOSFET); b) z diodami szybkimi typu PiN lub z diodami Schottky ego, pełniącymi funkcję diod zwrotnych DR i diod blokujących DB; c) z dodatkowymi tranzystorami niskonapięciowymi TB typu MOSFET i zewnętrznymi diodami zwrotnymi DR W badaniach eksperymentalnych, przy wyznaczaniu strat energii, posłużono się trzema metodami, obejmującymi klasyczną rejestrację przebiegów wartości chwilowych odpowiednich prądów i napięć, pomiary mocy wejściowej i wyjściowej falownika a także pomiary temperatur obudów każdego z przyrządów półprzewodnikowych, dokonane przy użyciu kamery termowizyjnej. Poszczególne rozdziały poświęcono zagadnieniom dotyczącym: - komutacyjnych straty energii w łącznikach z niskonapięciowymi tranzystorami MOSFET, - porównawczym badaniom eksperymentalnym modeli falowników niskonapięciowych z tranzystorami MOSFET bez dodatkowych diod i z zewnętrznymi diodami zwrotnymi z węglika krzemu. Niskonapięciowy łącznik z tranzystorem MOSFET (U DS 150V) Z uwagi na spodziewaną redukcję strat energii w łącznikach, wynikającą z krótkich czasów załączania i wyłączania diod Schottky ego, które niezależnie od materiału półprzewodnikowego charakteryzują się pomijalnie małym ładunkiem wstecznym, przeprowadzono szczegółowe badania eksperymentalne procesów komutacyjnych, polegające na rejestracji oscylogramów prądu drenu i D i napięcia dren źródło u DS łącznika w stanach dynamicznych. Do pomiarów użyto oscyloskopu firmy TEKTRONIX typu TDS5034B ( 5GS/s, pasmo częstotliwość 350MHz), wyposażonego w sondę napięciową typu TEKTRONIX P5050 oraz sondę prądową PEM CWT06 z cewką Rogowskiego. Zarejestrowane przebiegi były poddane analizie ilościowej (przy użyciu programu MATLAB), na podstawie której wyznaczano łączeniowe straty energii. Badania prowadzono w standardowym układzie przekształtnika obniżającego napięcie, obciążonego dławikiem o indukcyjności L = 5 mh, przy czym diody zwrotne D1 lub DR pełniły funkcję diod rozładowczych (zerowych), przewodząc prąd dławika L w stanach wyłączenia badanego tranzystora T2 (rys.2 a, b). Warunki pracy tranzystorów MOSFET w układzie testowym Rys.2. Układ do pomiaru komutacyjnych strat energii w łączniku niskonapięciowym: a) tranzystor MOSFET z diodą wewnętrzną jako diodą zwrotną (rozładowczą); b) tranzystor MOSFET z szeregową diodą blokującą DB (dioda Schottky ego z Si) i zewnętrzną diodą zwrotną DR (dioda Schottky ego z SiC); c) uproszczone przebiegi sygnału sterującego bramka źródło (przebieg górny) i prądu drenu i D w typowym teście dwupulsowym Do badań wybrano następujące przyrządy półprzewodnikowe: -T1, T2: tranzystory MOSFET typ IRF 3315 (International Rectifier) o napięciu znamionowym U DS = 150V i znamionowym prądzie drenu I D = 27A, - DB : krzemowa dioda Schottky ego typ 16CT100 GPbF (VISHAY) o klasie napięciowej U DB = 100 V i znamionowym prądzie przewodzenia I DB = 2x16 A, - DR: dioda Schottky ego z SiC typ SDT10S30 (Infineon) o klasie napięciowej U DR = 300V i znamionowym prądzie przewodzenia I DR = 10A. Należy zauważyć, że jedynie cewka Rogowskiego, charakteryzująca się małymi wymiarami, umożliwia obserwację prądu drenu tranzystora, który musi być połączony z pozostałymi elementami obwodu testowego jak najkrótszymi przewodami. Wynika to z konieczności eliminacji indukcyjności pasożytniczych, będących przyczyną przepięć przy dużych stromościach prądu drenu w stanach łączeniowych. Pomiary oscyloskopowe i obliczenia energii traconej przy załączaniu i wyłączaniu tranzystorów MOSFET zostały przeprowadzone z zastosowaniem testu dwupulsowego, przy czym nastawianie wartości przełączanego prądu odbywało się poprzez dobór czasu trwania pierwszego impulsu, podczas którego prąd narastał ze stałą stromością równą ok. U d /L. PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN , R. 87 NR 10/

3 a) b) c) d) Rys. 3. Oscylogramy napięcia, prądu oraz mocy chwilowej tranzystora T2 przy: a), b) załączaniu i wyłączaniu łącznika o topologii wg rys. 2a; c), d) załączaniu i wyłączaniu łącznika o topologii według rys. 2b Obserwacje procesów załączania i wyłączania łącznika (tranzystor T2) prowadzono na podstawie krótkiego, niepowodującego dodatkowego nagrzewania struktury półprzewodnikowej, drugiego impulsu prądu drenu, trwającego 16 µs (rys. 2c) [11]. Na rysunku 3 przedstawiono przykładowe oscylogramy wartości chwilowych napięcia i prądu tranzystora oraz mocy chwilowej przy załączaniu i wyłączaniu łącznika o topologii klasycznej (rys. 3a, b) i wyposażonej w diodę z węglika krzemu (rys.3 c, d). Rys. 4. Tranzystor MOSFET z zewnętrzną szybką diodą zwrotną z SiC (układ niezalecany ze względu na brak poprawy właściwości energetycznych) Z oscylogramów wynika jednoznacznie, że moc strat wydzielanych przy przełączaniu tranzystora MOSFET w łączniku z dodatkową diodą blokującą DB i diodą zwrotną DR z węglika krzemu jest zdecydowanie mniejsza w porównaniu z łącznikami złożonymi tylko z tranzystora MOSFET. Zarejestrowane przebiegi mocy chwilowej wykorzystano do wyliczenia (przy użyciu programu MATLAB) strat energii przy załączaniu E on i wyłączaniu E off (narastające i opadające zbocze drugiego impulsu na rys. 2c). Otrzymane wyniki dla rożnych wartości przełączanych prądów i D i różnych napięć U d wskazują, że zastosowanie diod zwrotnych w postaci diod Schottky ego z węglika krzemu oraz krzemowych diod Schottky ego, jako diod blokujących, blisko trzykrotnie zmniejsza łączeniowe straty energii w badanym tranzystorze MOSFET. Należy zaznaczyć, że w przypadku łączników z niskonapięciowymi tranzystorami MOSFET włączenie bezpośrednio między dren i źródło zewnętrznej diody zwrotnej w postaci diody Schottky ego z węglika krzemu nie daje oczekiwanych efektów. Przeprowadzone badania eksperymentalne wykazały, że w gałęzi mostka, w której zastosowano tak włączone diody zwrotne z węglika krzemu, komutacyjne straty energii są porównywalne z tymi, jakie występują w przypadku klasycznej gałęzi mostkowej, w której jako diody zwrotne wykorzystuje się wewnętrzne diody tranzystorów MOSFET. Konfiguracja łączników jak na rysunku 4 nie zapewnia eliminacji dużych prądów wstecznych wewnętrznych diod tranzystorów MOSFET, wchodzących w skład komplementarnych łączników, tworzących gałęzie fazowe. Modele eksperymentalne falowników z łącznikami niskonapięciowymi Wyraźna poprawa właściwości energetycznych łączników z diodami z SiC w odniesieniu do procesów łączeniowych uzasadnia podjęcie dalszych badań, uwzględniających także analizę strat energii w stanach 20 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN , R. 87 NR 10/2011

4 przewodzenia tranzystorów i diod zastosowanych do budowy łączników i kompletnych falowników. Z uwagi na małe wartości napięć na załączonych tranzystorach oraz brak możliwości pomiaru cewką Rogowskiego składowej stałej prądu, metoda wyznaczania strat energii w stanach przewodzenia łączników za pomocą oscyloskopu nie może być stosowana. Użycie innych przyrządów pomiarowych (sondy z czujnikami Halla, boczniki bezindukcyjne) z uwagi na bardzo krótkie połączenia między elementami składowymi łączników jest w praktyce niemożliwe. Badanie strat energii w stanach przewodzenia pojedynczego łącznika, przeznaczonego do pracy w układzie trójfazowego falownika sterowanego przy użyciu metody modulacji szerokości impulsów (przeważnie sinusoidalnej bądź wektorowej) wiąże się z także z trudnością odtworzenia równoważnych przebiegów wartości chwilowych prądu tranzystora i diody łącznika. Stąd też, w celu zapewnienia pełnej wiarygodności w stosunku do oceny właściwości energetycznych obu rozpatrywanych wersji łączników w (rys.2a i b) wykonano przy ich użyciu dwa modele eksperymentalne falowników trójfazowych o umownej mocy znamionowej 500 VA, zasilanych napięciem Ud = 60V i obciążonych identycznymi odbiornikami symetrycznymi w postaci trzech dławików, skojarzonych w gwiazdę. Taki charakter odbiornika zapewnia równomierne warunki obciążenia tranzystorów i diod łączników. Metodyka badań porównawczych modeli rzeczywistych o identycznych warunkach zasilania, obciążenia i chłodzenia jest uzasadniona również koniecznością oceny stopnia zwiększenia strat energii, wynikających z zastosowania dodatkowych szeregowych diod blokujących DB (rys. 2b). Na rysunku 5 przedstawiono zdjęcia wykonanych modeli eksperymentalnych dwóch falowników trójfazowych, w których głównymi podzespołami są zestawy półprzewodnikowe, złożone z identycznych radiatorów i odpowiednio połączonych sześciu łączników energoelektronicznych, tworzących trzy gałęzie fazowe, odpowiadające schematom z rysunku.1a i 1b. Rys.5. Modele eksperymentalne trójfazowych falowników PWM: a) układ z łącznikami w postaci tranzystorów MOSFET; b) układ z łącznikami wykonanymi przy użyciu tranzystorów MOSFET, szeregowych diod blokujących DB (diody Schottky ego z Si) i zewnętrznych diod zwrotnych DR (diody Schottky ego z SiC) Rys.6. Stanowisko do badań strat mocy w falownikach napięcia PWM z tranzystorami MOSFET Rysunek 6 przedstawia konfigurację stanowiska laboratoryjnego, przeznaczonego do badań ukierunkowanych na wyznaczenie mocy strat w zestawach półprzewodnikowych rozpatrywanych dwóch wersji falowników PWM. Do realizacji układu sterowania użyto zainstalowanego w komputerze PC mikrokontrolera dspace 1103, który zapewniał sterowanie falowników wg wektorowej modulacji szerokości impulsów. Z uwagi na to, że do badań wykorzystano odbiornik statyczny, mikrokontroler realizował prosty algorytm sterowania w układzie otwartym, gwarantujący stabilność i powtarzalność nastaw współczynnika głębokości modulacji, którym oddziaływano na wartości skuteczne prądów i napięć odbiornika, uzyskując zakres regulacji mocy pozornej od zera do wartości znamionowej (500 VA). W programie źródłowym mikrokontrolera istniała możliwość zmiany częstotliwości przełączeń tranzystorów falownika, którą w trakcie wszystkich przeprowadzonych testów utrzymywano na poziomie 100 khz. Jako podstawowy przyrząd pomiarowy PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN , R. 87 NR 10/

5 wykorzystano precyzyjny analizator mocy NORMA D 6000, zapewniający pomiar mocy czynnej pobieranej przez układ z maksymalnym błędem pomiaru napięcia i prądu poniżej 0,2%. W przyjętej metodyce eksperymentu zastosowano odbiornik prądu przemiennego w postaci trzech identycznych dławików (L 1 =L 2 = L 3 = 5 mh) tak, że moc czynna pobierana z zasilacza napięcia stałego (U d = 60 V) była równa stratom mocy rozpraszanym w badanym układzie energoelektronicznym i odbiorniku. Mimo małego prądu pobieranego z zasilacza, prądy łączników i prądy odbiornika mogły być nastawiane na poziomie znamionowym. Dla warunków obciążenia znamionowego (wartość skuteczna podstawowej harmonicznej prądu dławików odbiornika równa 10,5A przy częstotliwości 50 Hz) przeprowadzono dwie serie pomiarów mocy pobieranej z obwodu prądu stałego, uzyskując następujące uśrednione wyniki: moc pobierana w przypadku układu z łącznikami wg rys. 2a: P DC1 = 122,5 W moc pobierana w przypadku układu z łącznikami wg rys. 2b: P DC2 = 105,0W. Przyjmując, że straty mocy czynnej w dławikach odbiornika nie zależą od konfiguracji łączników obu rozpatrywanych wersji falowników, uzyskane wyniki wskazują na redukcję strat mocy w falowniku, w którym zastosowano diody Schottky ego o 17,80 W, czyli o ok. 2,98W w odniesieniu do każdego łącznika. przyrządach półprzewodnikowych, występujących w poszczególnych rozwiązaniach łączników i nie daje poglądu na rozpływ ciepła i rozkład temperatur w konstrukcji przekształtnika. W tym celu dokonano rejestracji pola temperatur z zastosowaniem kamery termowizyjnej. Obserwacje termiczne pozwoliły nie tylko na kolejną ilościową ocenę całkowitej mocy strat łącznika, potwierdzając wynik uzyskany metodą pomiaru mocy strat, ale także na identyfikację mocy strat wydzielanych w tranzystorach i diodach łącznika. Rys. 8. Obraz termiczny łączników przy znamionowym obciążeniu falowników: a) łącznik w postaci tranzystora MOSFET; b) łącznik złożony z tranzystora MOSFET oraz szeregowej diody blokującej w postaci krzemowej diody Schottky ego i diody zwrotnej z węglika krzemu Rys. 7. Wyniki pomiarów mocy strat wydzielanych w łącznikach falownika w warunkach obciążenia znamionowego (500 VA) przy odbiorniku o cosφ = 0 w przypadku falownika z łącznikami w postaci tranzystorów MOSFET (wykres Si) i z łącznikami zawierającymi diodę Schottky ego z węglika krzemu (wykres Si+SiC) W celu określenia wartości strat mocy w łącznikach obu wersji falowników wyznaczono, na podstawie obliczeń cieplnych, straty mocy rozpraszane w dławikach. Przy zmierzonym przyroście temperatury powierzchni dławików odbiornika w stosunku do temperatury otoczenia T = 15 C oraz przy powierzchni każdego dławika A = 0,084 m 2 i typowym dla elementów magnetycznych współczynniku oddawania ciepła α = 8 W/Km 2, moc czynna tracona w dławikach obciążenia (1) 3 T A 30W P L Zmniejszając zmierzone całkowite straty mocy P DC1 i P DC2 o wyliczoną, na podstawie wzoru (1), wartość 30 W i przeliczając straty mocy na jeden z sześciu łączników uzyskuje się wynik przedstawiony na rysunku 7. Metoda polegająca tylko na pomiarze mocy wejściowej falownika nie pozwala na ocenę rozkładu mocy strat w Na rysunku 8 przedstawiono fragment obrazu termowizyjnego radiatora z przyrządami półprzewodnikowymi o odpowiednio przygotowanej powierzchni obudowy tak, aby uzyskać jednakowe współczynniki emisji ciepła (m.in. poczernienie podstaw obudów). Uzyskane obrazy termiczne pozwoliły na ilościową analizę rozkładu mocy strat w przyrządach obu badanych wariantów falowników. W tym celu skorzystano z zależności analitycznej, wiążącej moc strat P str ze spadkiem temperatury T na rezystancji termicznej R th kontaktu termicznego pomiędzy radiatorem a podstawą obudowy typu TO 220 każdego z przyrządów (2) P str T R th Na podstawie dokonanych przy użyciu kamery termowizyjnej odczytów temperatur i przy zidentyfikowanej wcześniej (metodą pomiarów temperatury obudowy elementu nagrzewanego ściśle określoną mocą wywołaną przepływem prądu stałego) wartości rezystancji termicznej R th = 2,9ºC/W wyznaczono wartości mocy strat, wydzielanych w każdym przyrządzie półprzewodnikowym przekształtnika (rys.9). Uzyskane wyniki pomiarów termicznych wykazują daleko idącą zbieżność z wcześniejszymi obliczeniami, przeprowadzonymi na podstawie pomiarów mocy czynnej (rys.7). Upoważniają one do stwierdzenia, że w układach niskiego napięcia zastosowanie diody blokującej (krzemowa dioda Schottky ego), oraz diody zwrotnej w postaci diody Schottky ego z węglika krzemu, przyczynia się do znaczącego (15 20%) zredukowania strat energii 22 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN , R. 87 NR 10/2011

6 wydzielanych w łącznikach. Straty energii w samym tranzystorze MOSFET, wchodzącym w skład łącznika wg rys. 2b, stanowią niecałe 40% strat występujących w łączniku wg rys. 2a. Rys. 9. Moce strat w przyrządach półprzewodnikowych łączników z tranzystorami MOSFET wyznaczone na podstawie pomiarów temperatur kamerą termowizyjną w przypadku łącznika złożonego tylko z tranzystora MOSFET (wykres Si) i łącznika zawierającego diodę Schottky ego z węglika krzemu (wykres Si + SiC). Straty w łączniku Si + SiC: tranzystor P T = 5,76 W; dioda Schottky ego z krzemu P DSi = 1,79W; dioda Schottky ego z węglika krzemu P DSiC = 3,75W) Należy też zauważyć, że w przypadku układów niskonapięciowych z tranzystorami MOSFET, najkorzystniejszym z punktu widzenia minimalizacji strat energii jest zastosowanie zarówno blokujących diod szeregowych jak i diod zwrotnych w postaci krzemowych diod Schottky ego, których klasy napięciowe mogą okazać się jeszcze wystarczające (ok. 250 V). Wnioski Zastosowanie diod Schottky ego z węglika krzemu w łącznikach, w których głównymi elementami są niskonapięciowe tranzystory MOSFET (U DS = 150 V) pozwala, przy częstotliwości przełączeń powyżej 50 khz, na zmniejszenie mocy strat wydzielanych w falowniku o ponad 20%. Jest to wynik zmniejszenia strat energii wydzielanej podczas załączania tranzystorów MOSFET przy tylko nieznacznym wzroście strat przewodzenia, spowodowanych koniecznością włączenia szeregowych diod blokujących. Należy zaznaczyć, że przy realizacji falowników niskonapięciowych (U d 100 V) istnieje możliwość zastosowania diod zwrotnych w postaci krzemowych diod Schottky ego, mając jednak na uwadze ich niską wytrzymałość napięciową (ok. 250 V). Zastosowanie krzemowych diod Schottky ego również prowadziłoby do zwiększenia sprawności energetycznej falowników niskonapięciowych. Na uwagę zasługuje duża zbieżność wyników dotyczących wyznaczania mocy strat w przyrządach półprzewodnikowych przy zastosowaniu metody pomiaru mocy wejściowej i wyjściowej falowników oraz metody, polegającej na termowizyjnej analizie temperatur poszczególnych podzespołów falownika. Praca częściowo sfinansowana ze środków uzyskanych z Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego na realizację Projektu Badawczego Zamawianego w latach oraz ze środków przeznaczonych na działalność statutową w Politechnice Warszawskiej. LITERATURA [1] accessed on may 2011 [2] accessed on may 2011 [3] accessed on may 2011 [4] Spiazzi G., Buros S., Citron M., Corradin M., Pierborn R., Performance Evaluation of Schottky SiC Power Diode in a Boost PFC Application. IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 18, No.6, (2003), [5] Sekikawa, M.; Funaki, T.; Hikihara, T., A study on power device loss of DC-DC buck converter with SiC Schottky barrier diode. Power Electronics Conference (IPEC), (2010), [6] Chimento F.,Musumeci S., Raciti A., Melito M., Sorrentino G., Super Junction MOSFET and SiC Diode Application for the Efficiency Improvement in a Boost PFC converter. IEEE Transactions on Industry Applications, (2006), [7] Ohasi H., Exact Circuit Power Loss Design Method for High Power Density Converters Utilizing Si-IGBT/SiC Diode Hybrid Pairs. 13-th International Power Electronics and Motion Control Conference, EPE-PEMC (2008), [8] Friedrichs P., Silicon Carbide Power semiconductors New opportunities for high efficiency, 3-rd IEEE Conf. on Industrial Electronics and Applications - ICIEA (2008), [9] Barlik R., Nowak M., Rąbkowski J., Symulacyjne studium projektowe trójfazowego przekształtnika PWM z zastosowaniem łączników z węglika krzemu. VII Krajowa Konferencja Elektroniki KKE 08, Darłówko Wschodnie, czerwca 2008, [10] Barlik R., Rąbkowski J., Nowak M., Investigations on Transistor IGBT and Silicon Carbide Schottky Diode Switch. International Conference Microtechnology and Thermal Problems in Electronics, MicroTherm 2007, June2007, Łódż, [11] Rąbkowski J., Nowak M., Barlik R. Badania porównawcze właściwości wybranych krzemowych i węglikowo krzemowych łączników mocy. Przegląd Elektrotechniczny, R. 84, Nr 7 (2008), [12] Nowak M., Barlik R., Rąbkowski J., Grzejszczak P., Badania właściwości trójfazowego przekształtnika sieciowego PWM z diodami zwrotnymi z węglika krzemu. Przegląd Elektrotechniczny, R.85 Nr 12 (2009), [13] Knop A., Franke W., Fuchs W., SiC JFET and ESTB against MOSFET and IGBT, 13-th International Power Electronics and Motion Control Conference, EPE PEMC (2008), [14] Zdanowski M., Rąbkowski J., Barlik R., Straty mocy w różnych typach trójfazowych falowników PWM wykonanych z przyrządów krzemowych i z węglika krzemu. X Krajowa Konferencja Elektroniki KKE 2011 (Darłowo, ) (materiały konferencyjne ISBN , str. 174, płyta CD: ), [15] Barlik R., Nowak M., Grzejszczak P., Badania efektywności zastosowania diod Schottky ego z węglika krzemu w falownikach na tranzystorach MOSFET. IX Krajowa Konferencja Elektroniki KKE 10, Darłówko Wschodnie, , , [16] Lorenz L., Deboy G., Zverev I., Matched Pair of Cool-MOSS Transistor with SiC- Schottky Diode Advantages in Application. IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 40, No. 5, (2004), [17] Dupont L., Lefebvre S., Khatir Z., Bontemps S., Meuret R., Characterisation of silicon carbide Schottky diodes and COOLMOS transistors at high temperature., IEEE 35th Annual Power Electronics Specialists Conference PESC, (2004). Vol. 1, Autorzy: dr inż. Mieczysław Nowak, mnowak@isep.pw.edu.pl, prof. dr hab. inż. Roman Barlik, rbarlik@isep.pw.edu.pl; mgr inż. Piotr Grzejszczak, piotr.grzejszczak@ee.pw.edu.pl, dr inż. Jacek Rąbkowskii, jrabkowski@ee.pw.edu.pl, Politechnika Warszawska, Instytut Sterowania i Elektroniki Przemysłowej, ul. Koszykowa 75, Warszawa PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN , R. 87 NR 10/