Карбид кремния в стабилизаторах ТИС: зачем дому технология из электромобилей

Когда напряжение в доме регулярно падает до 160–180 В, поднимается выше 250 В или резко меняется при включении насоса, компрессора и другого мощного оборудования, обычному стабилизатору приходится работать почти непрерывно.

В таких условиях важна не только заявленная мощность прибора. Не меньшее значение имеют скорость преобразования, нагрев силовых компонентов, энергетические потери и способность стабилизатора выдерживать кратковременные пусковые токи.

Именно поэтому в современной силовой электронике всё чаще используют транзисторы из карбида кремния — SiC MOSFET. Эта технология уже применяется в электромобилях, зарядных станциях, солнечных инверторах, промышленных приводах и мощных серверных блоках питания. Теперь она появилась и в российских инверторных стабилизаторах напряжения ТИС компании «Микроарт Про».

Что такое карбид кремния

Большинство электронных устройств десятилетиями строилось на кремниевых полупроводниках.

Кремний доступен, хорошо изучен и подходит для огромного количества задач. Но в силовой электронике, где нужно многократно переключать большие токи и высокое напряжение, начинают проявляться физические ограничения материала.

При каждом переключении силового транзистора часть электрической энергии превращается в тепло. Чем выше мощность прибора и частота переключения, тем серьёзнее становятся потери.

Карбид кремния, или SiC, относится к широкозонным полупроводникам. Ширина его запрещённой зоны составляет около 3,26 эВ. У обычного кремния этот показатель значительно ниже. SiC также отличается высокой теплопроводностью и способен работать при более высоких электрических и температурных нагрузках.

Для инженера это означает, что на основе карбида кремния можно создать силовой транзистор, который:

• быстрее переключается;

• теряет меньше энергии;

• слабее нагревается при сопоставимой нагрузке;

• стабильнее работает при повышенной температуре кристалла;

• позволяет увеличить плотность мощности;

• облегчает охлаждение силовой электроники.

Производители SiC-компонентов указывают, что такие транзисторы отличаются низкими коммутационными и проводниковыми потерями, небольшой выходной ёмкостью и улучшенными характеристиками встроенного диода. Всё это позволяет повышать эффективность преобразователей и уменьшать нагрузку на их систему охлаждения.

Почему МИНИМИЗАЦИЯ нагревА так важНА для стабилизатора

Силовой транзистор можно сравнить с очень быстрым электронным выключателем.

В инверторном стабилизаторе такие выключатели открываются и закрываются тысячи раз в секунду. С их помощью электроника формирует новое выходное напряжение с правильной формой синусоиды.

Но ни один реальный транзистор не работает без потерь.

Часть энергии выделяется, когда он находится в открытом состоянии. Ещё часть теряется непосредственно в моменты включения и выключения.

Чем больше эти потери, тем сильнее нагреваются:

• сами транзисторы;

• радиаторы;

• печатная плата;

• конденсаторы;

• соседние электронные компоненты;

• воздух внутри корпуса.

Высокая температура ускоряет старение электроники. Особенно чувствительны к ней электролитические конденсаторы, изоляционные материалы и соединения на печатной плате.

Поэтому снижение тепловыделения — это не только вопрос экономии электричества. Оно напрямую влияет на устойчивость и потенциальный срок службы всего устройства.

SiC-компоненты обладают примерно втрое большей теплопроводностью по сравнению с традиционным кремнием и сохраняют более стабильное сопротивление открытого канала при нагреве. Благодаря этому тепло легче отводится от кристалла, а электрические потери меньше увеличиваются вместе с температурой.

При этом важно правильно понимать температурные характеристики.

Способность некоторых SiC-транзисторов выдерживать температуру кристалла до 175–200 °C не означает, что весь стабилизатор можно устанавливать в помещении с такой температурой. Например, для ТИС 8000 производитель указывает рабочий диапазон окружающей среды от −20 до +45 °C. Повышенная термостойкость транзисторов создаёт запас надёжности внутри устройства, но не отменяет требований к вентиляции и месту установки.

Почему SiC используют в электромобилях

Особенно заметны преимущества карбида кремния в электрическом транспорте. Тяговый инвертор электромобиля получает постоянное напряжение от аккумуляторной батареи и превращает его в переменный ток, необходимый электродвигателю. Через этот узел проходит значительная часть энергии автомобиля. Даже небольшое снижение потерь в инверторе означает, что больше энергии батареи используется непосредственно для движения, а не превращается в тепло.

Министерство энергетики США указывает, что широкозонные полупроводники эффективнее кремниевых компонентов и способны работать при более высоких температурах. Это позволяет уменьшать требования к охлаждению, снижать размеры силовой электроники и повышать эффективность электрического привода.

По данным того же ведомства, применение качественных SiC-компонентов в электрическом транспорте может обеспечивать более высокую эффективность и напряжение системы, помогать ускорению зарядки и в некоторых конфигурациях давать до 10% дополнительного запаса хода по сравнению с традиционными кремниевыми решениями.

Технология уже применяется в серийной автомобильной силовой электронике. Например, Hyundai официально указывает двухступенчатый инвертор на карбиде кремния в силовой системе IONIQ 5 N. Lucid сообщает, что её интегрированные системы зарядки и управления высоким напряжением построены на SiC-компонентах и рассчитаны на работу с архитектурами до 1000 В.

Но карбид кремния нужен не только автомобилям.

Те же преимущества важны везде, где электричество постоянно преобразуется при большой мощности: в солнечных электростанциях, зарядных станциях, серверах, промышленной автоматике и системах стабилизации напряжения.

 

Что общего между инвертором электромобиля и стабилизатором напряжения

На первый взгляд электромобиль и домашний стабилизатор решают совершенно разные задачи. Но с точки зрения силовой электроники их объединяет один принцип: электрическая энергия проходит через электронный преобразователь, которым управляют силовые транзисторы. В автомобиле постоянное напряжение аккумулятора превращается в переменный ток двигателя.

В инверторном стабилизаторе нестабильное переменное напряжение сети сначала преобразуется в постоянное, а затем из него заново формируется правильное переменное напряжение.

В обоих случаях от характеристик силовых ключей зависят:

• потери энергии;

• нагрев;

• допустимая мощность;

• качество переключения;

• требования к охлаждению;

• устойчивость к высокой нагрузке.

Поэтому технология, которая помогает повысить эффективность автомобильного инвертора, может давать преимущества и в бытовом или промышленном стабилизаторе.

Как работает инверторный стабилизатор ТИС НА SIC

Снижение потерь — это экономия и меньшая тепловая нагрузка

КПД показывает, какая доля поступающей электроэнергии передаётся нагрузке, а какая теряется внутри устройства. Для ТИС производитель заявляет КПД до 97%. Если стабилизатор работает круглосуточно, разница даже в несколько процентов становится заметной.

Особенно это важно при большой постоянной нагрузке:

• в мастерской;

• в котельной;

• на производстве;

• в серверной;

• в магазине;

• на объекте связи;

• в доме с электрическим отоплением и насосами.

Но экономия электроэнергии — только одна сторона вопроса. Почти все внутренние потери превращаются в тепло. Следовательно, более высокий КПД означает меньшую тепловую нагрузку на транзисторы, конденсаторы, плату и вентиляторы.

SiC MOSFET создавались именно для систем, где нужны высокая эффективность, большая плотность мощности и уменьшенные требования к охлаждению. Такие преимущества подтверждают Wolfspeed, Infineon, STMicroelectronics и onsemi.

SiC и обычный кремний: основные различия

Параметр	Кремниевые силовые транзисторы	SiC MOSFET
Переключение	Выше потери при большой частоте и напряжении	Более быстрое переключение и меньшие динамические потери
Работа при нагреве	Сопротивление и потери заметнее растут с температурой	Характеристики обычно стабильнее при высокой температуре
Теплопроводность материала	Ниже	Примерно втрое выше
Плотность мощности	Требуются более крупные радиаторы и пассивные элементы	Можно получить большую мощность при сопоставимых размерах
Обратное восстановление диода	Способно создавать дополнительные потери и помехи	Потери обратного восстановления значительно ниже
Стоимость компонентов	Ниже	Выше
Требования к разработке	Технология хорошо освоена	Требуются правильные драйверы, разводка платы и защита от быстрых фронтов

Сравнение основано на материалах производителей силовых полупроводников и государственных программах развития широкозонной электроники.

Последняя строка особенно важна.

Карбид кремния — не волшебный компонент, который автоматически делает любой прибор надёжным.

SiC-транзисторы переключаются очень быстро. Это предъявляет повышенные требования к:

• драйверам;

• печатной плате;

• силовым соединениям;

• защите от перенапряжений;

• электромагнитной совместимости;

• алгоритмам управления;

• системе охлаждения.

Преимущество появляется только тогда, когда весь прибор разработан с учётом особенностей SiC.

Что именно получает владелец ТИС

Для обычного пользователя физические свойства полупроводника важны только тогда, когда они превращаются в понятные возможности.

В линейке ТИС сочетание двойного преобразования и SiC-транзисторов даёт следующий набор заявленных характеристик:

• входное напряжение от 105 до 310 В;

• выходное напряжение 220 или 230 В;

• регулировка выхода от 180 до 250 В с шагом 1 В;

• отсутствие времени переключения;

• КПД до 97%;

• кратковременная перегрузка 150% в течение 10 секунд;

• ручной байпас;

• защита от перегрузки, короткого замыкания, перегрева и аномального напряжения;

• цветной дисплей;

• металлический корпус;

• USB;

• возможность установки интерфейса RS-485;

• стандартное или стоечное исполнение 19 дюймов.

Компания «Микроарт Про»  первой среди российских разработчиков бытовых стабилизаторов применила в этой категории современные силовые транзисторы на основе карбида кремния. 

Модельный ряд ТИС

Линейка охватывает несколько уровней мощности.

Модель	Полная мощность	Номинальная активная мощность	Пиковая мощность на 10 секунд
ТИС 6000	6 кВА	5 кВт	7,5 кВт
ТИС 8000	8 кВА	7 кВт	10,5 кВт
ТИС 16000	16 кВА	14 кВт	21 кВт
ТИС 24000	24 кВА	21 кВт	30 кВт

Характеристики указаны производителем для актуальной линейки ТИС. ТИС 6000 может использоваться для котла, насосов, холодильника, освещения, компьютеров и другой нагрузки частного дома, если её суммарная мощность укладывается в возможности модели. ТИС 8000 даёт больший запас для мастерской, небольшого дома с несколькими насосами или объекта с мощным холодильным оборудованием. Модели на 14 и 21 кВт рассчитаны на серьёзные домашние, коммерческие и производственные нагрузки.

Окончательный подбор необходимо выполнять не только по сумме ватт, но и с учётом:

• пусковых токов;

• минимального напряжения сети;

• сечения кабеля;

• номинала вводного автомата;

• характера нагрузки;

• необходимости одновременного запуска оборудования.

Кому особенно полезен стабилизатор на SiC

Дом в конце слабой линии

Если напряжение вечером регулярно падает ниже 180 В, ступенчатый стабилизатор может часто переключаться или уходить в защиту.

Широкий рабочий диапазон ТИС и регулируемое выходное напряжение позволяют точнее адаптировать систему к состоянию линии.

Дом со скважинным насосом

Насос создаёт высокий пусковой ток.

Здесь важны кратковременная перегрузочная способность, быстрый электронный преобразователь и достаточный запас мощности.

Котельная

Современный котёл содержит плату управления, насосы, вентилятор и систему розжига.

Такое оборудование чувствительно не только к уровню напряжения, но и к качеству питания.

Мастерская

Станки, компрессоры и электроинструмент создают резкие изменения нагрузки.

Стабилизатор должен выдерживать запуск двигателей и одновременно сохранять нормальное питание электроники.

Серверная или объект связи

Для серверных блоков питания важны правильная синусоида, отсутствие паузы при регулировании и предсказуемое выходное напряжение.

Небольшое производство

При постоянной нагрузке значение приобретают КПД, нагрев, ресурс силовых компонентов и возможность обслуживания оборудования.

Когда дорогая SiC-технология может быть избыточна

Не каждому объекту требуется премиальный инверторный стабилизатор.

Если напряжение почти всегда находится в пределах нормы, нагрузка небольшая и нечувствительная, а кратковременные отклонения происходят редко, качественный релейный или тиристорный стабилизатор может решить задачу дешевле.

SiC особенно оправдан там, где одновременно присутствуют несколько факторов:

• широкие перепады входного напряжения;

• постоянная или большая нагрузка;

• высокие пусковые токи;

• чувствительная электроника;

• длительная ежедневная работа;

• высокая цена простоя или повреждения оборудования;

• ограниченные возможности охлаждения;

• необходимость точной настройки выходного напряжения.

Поэтому выбирать ТИС только из-за модного названия материала не стоит. Сначала нужно оценить реальное состояние сети и нагрузку. После этого станет понятно, принесут ли возможности прибора практическую пользу.

Карбид кремния — не маркетинг, но и не единственный показатель качества

SiC обладает реальными физическими преимуществами. Это подтверждается не только производителями стабилизаторов, но и крупнейшими разработчиками силовых полупроводников, автомобильными компаниями и государственными исследовательскими программами. Карбид кремния позволяет создавать более эффективные, быстрые и термостойкие силовые преобразователи.

Но по одному только типу транзисторов нельзя оценить весь стабилизатор.

На надёжность также влияют:

• качество схемотехники;

• запас компонентов по напряжению и току;

• алгоритмы защиты;

• качество конденсаторов;

• система охлаждения;

• сборка;

• программное обеспечение;

• испытания;

• сервис и доступность запчастей.

Поэтому сильная сторона ТИС заключается не просто в наличии SiC MOSFET. Она состоит в сочетании карбид-кремниевой силовой части, двойного преобразования, широкого входного диапазона, регулируемого выхода и кратковременной перегрузочной способности.

Итог

Карбид кремния уже перестал быть экспериментальной технологией. Он применяется в тяговых инверторах электромобилей, зарядных системах, солнечной энергетике, промышленных приводах и мощных источниках питания. Причина проста: SiC-транзисторы позволяют уменьшить потери, увеличить скорость переключения, повысить плотность мощности и снизить тепловую нагрузку на преобразователь. В стабилизаторах ТИС эта технология используется для работы в сложных электрических сетях. Приборы выдерживают входное напряжение от 105 до 310 В, постоянно формируют новую синусоиду, имеют КПД до 97%, позволяют регулировать выход от 180 до 250 В и выдерживают кратковременную полуторакратную перегрузку.

Для владельца дома это означает более стабильную работу котла, насоса и бытовой техники.

Для мастерской — уверенный запуск оборудования с электродвигателями.

Для бизнеса — меньший риск отключений, перегрева и простоя.

А для слабой загородной сети — возможность получать качественное питание даже тогда, когда входное напряжение далеко от нормальных 220–230 В.

Карбид кремния здесь не является красивой надписью на корпусе. Это материал, физические свойства которого помогают построить более эффективный и термостойкий силовой преобразователь. Но настоящая ценность появляется только тогда, когда SiC правильно встроен в общую конструкцию прибора — именно это и определяет, станет ли технология реальным преимуществом для пользователя.