В кінці літа 2016 р відбулася знакова подія в електроніці, яка має пряме відношення до систем кондиціонування повітря. 17 серпня 2016 року компанія Mitsubishi Electric Corporation приступила до серійного виробництва силових модулів Super-mini Full SiC DIPIPMTM на основі карбіду кремнію (SiC).
Їх електричні характеристики і вартість орієнтовані на застосування в системах кондиціонування повітря масового сегмента.
Більше 20 років інверторний привід на IGBT-транзисторах беззастережно панував в кондиціонерах. Абревіатура IGBT позначає біполярний транзистор з ізольованим затвором. Успіх цієї технології обумовлений поєднанням в IGBT-транзисторі кращих властивостей біполярного і польового транзисторів. Він має низький опір у відкритому стані, властиве біполярному транзистору, а також високий вхідний опір і швидкість польового транзистора.
Силові транзистори інвертора працюють в ключовому (імпульсному) режимі – вони переключаються з закритого у відкритий стан кілька тисяч разів в секунду, формуючи синусоїдальний струм через обмотки електродвигуна компресора або вентилятора. Змінюючи тривалість імпульсів напруги (це називається широтно-імпульсна модуляція – ШІМ) можна формувати ток різної частоти і регулювати швидкість обертання електродвигуна.
Порівняння характеристик кремнію (Si) і карбіду кремнію (SiC)
Ідеальний ключ повинен миттєво перемикатися між відкритим і закритим становищем і мати в замкнутому стані нульовий опір. На жаль, IGBT-транзистор не ідеальний.
Він відносно не швидкий (спадщина біполярного транзистора), а також має недостатньо низький опір у відкритому стані.
Обидва ці фактори викликають непотрібний нагрів IGBT-транзистора і обмежують струм навантаження.
Для запобігання перегріву і виходу з ладу транзисторний каскад встановлюють на тепловідвід, ребра якого зазвичай виставляють в потік повітря вентилятора конденсатора. Побічне тепло, що розсіюється теплоотводом, зменшує ефективність інверторного приводу і всієї системи кондиціонування.
Карбід кремнію (карборунд) – це хімічна сполука кремнію з вуглецем (SiC).
Вона знайома практично кожному. Завдяки механічної міцності і невисокої вартості його здавна застосовують як абразивний матеріал при виготовленні шліфувальних кругів, відрізних дисків, наждачного паперу і т.п. Напівпровідникові властивості цього з’єднання теж відомі досить давно, проте «абразивний» карбід кремнію для цих цілей не підходить. Для електроніки потрібна речовина високої хімічної чистоти і особливої кристалічної структури.
Цей матеріал має кращі характеристики в порівнянні з кремнієм, проте широкого впровадження приладів на основі SiC перешкоджала складність отримання високоякісного вихідного матеріалу, висока вартість, складність і дорожнеча технологічних процесів. З початку 90-х років найбільші інститути та лабораторії шукали способи промислового вирощування кристалів карбіду кремнію (SiC) потрібної якості і можливості застосування їх в силовій електроніці.
Компанія Mitsubishi Electric Corporation інвестувала величезні кошти в розробку напівпровідникових приладів на основі карбіду кремнію, розуміючи, що ефективні інноваційні пристрої надзвичайно затребувані в сучасному світі. Це – електроприводи поїздів, автомобілів і ліфтів, перетворювачі для вітрогенераторів і сонячних панелей, верстати та різноманітне промислове обладнання та багато іншого. Сьогодні ці унікальні технології вдалося перенести і в масовий сегмент побутової техніки. Найближчим часом SiC-модулі будуть встановлюватися в найбільш ефективні кондиціонери, холодильники і пральні машини.
Напруги пробою карбіду кремнію в 10 разів перевищує пробивну напругу кремнію. Це означає, що канал силового польового транзистора можна зробити в 10 разів тонше (коротше), що призведе до значного зменшення його опору. В результаті більша потужність буде передаватися в навантаження і менше буде нагріватися ключовий елемент.
Польові транзистори на основі карбіду кремнію мають більш високу швидкодію.
Внаслідок цього час знаходження транзистора в проміжному стані (його називають активним режимом) між повним включенням і відключенням надзвичайно мало, що додатково зменшує нагрів ключа.
Підвищення температури кристала – це вкрай небажаний фактор для кремнієвих IGBT-транзисторів, так як збільшуються струми витоку. Тому їх термостатування завжди приділяється особлива увага. Карбід кремнію в 3 рази менше чутливий до підвищення температури, і струми витоку ключового елемента незначні.
Ще одна важлива властивість кристала силового елемента – це теплопровідність, так як тепло, що виділяється в ньому, потрібно відводити для запобігання перегріву. За цим показником карбід кремнію перевершує кремній майже в 3 рази.
Поєднання унікальних властивостей карбіду кремнію дозволило компанії Mitsubishi Electric Corporation створити силовий модуль, ефективність якого на 70% вище, ніж у застосовуваних сьогодні модулів на IGBT-транзисторах. Новий Super-mini Full SiC DIPIPMTM модуль випускається в тому ж корпусі і з тієї ж цоколівкою, що і його кремнієвий попередник. Тому їх впровадження не потребує істотних змін друкованих вузлів, і незабаром нас чекає істотне збільшення енергоефективності кондиціонерів Mitsubishi Electric.
