用SiC功率半导体技术开发大功率高稳定性电源

新技术 2018年06月26日
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日本理化学研究所与尼吉康共同组成的研发小组,利用新一代功率半导体器件“SiC MOSFET”开发出了紧凑型脉冲电源,能在兼顾高输出功率和高稳定性的同时,在大范围内改变输出电流的方向和大小。目前,世界各国都在积极建设X射线自由电子激光(XFEL)设施,这种激光装置要利用由直线型加速器生成的高品质电子束,此次的研究成果有望为扩大这种设施的利用时间及提高效率做出贡献。

为了将兼具高输出功率和高稳定性的电源收纳到紧凑的壳体中,共同研发小组着眼于耐压高、且能以100kHz以上的开关速度控制大电流的SiC制MOSFET元件,把由SiC MOSFET元件构成的斩波单元组装成2串联5并联的主电路,从而实现了高输出功率和高稳定性。另外,新开发的电源减少了输出电流较小时运转的SiC MOSFET的单元数量,同时还安装了通过向旁路电路流过剩余电流以始终确保一定量以上的控制电流的序列,在输出电流较低时也保证了稳定性。

相关研究论文已于6月15日发表在美国科学杂志《Review of Scientific Instruments》的在线版上。

研究方法和成果

目标脉冲电源的主要性能如下:①能以60Hz的重复频率运行;②能在每60Hz的重复频率下以任意模式运行;③额定输出功率为0.24MW(电压1kV、电流240A);④电流稳定性:240A的变动量在0.002%以下;⑤电流设定范围:-240A~+240A。以往采用共振电路和PFN(脉冲形成网络)的脉冲电源无法同时满足上述所有性能。尤其是每次脉冲自由改变电流模式这点,以往电源完全无法实现。

另外,包括电流大小和流动方向在内,要想在每60Hz的脉冲中任意控制电流模式,采用四象限电源比较合适。不过,以往的四象限电源很难在从大电流到微小电流的广大范围内实现电流稳定性,同样无法满足目标性能。

关于四象限电源的最大输出功率和电流稳定性,提高使用的高功率元件的性能可加以改善。研发小组通过研究发现,把由具备1kV以上的高耐压特性、能以100kHz以上的速度开关100A以上大电流的“SiC MOSFET”构成的斩波单元,组装成2串联5并联的电路,并通过高精度的PWM(脉冲宽度调制)对其进行控制,就能同时实现①至④的主要目标性能。

最后剩下的课题是,电流接近零时电源的动作不稳定。为解决这个课题,导入了流过剩余电流的旁路电路。低电流时,通过向绕过负载(此次为电磁铁)的电路加载电流,能确保一定量以上的控制电流。此外还减少了运转的单元数量,安装了限制每台单元的输出电流下限的序列,输出电流较低时也能实现电源动作的稳定性。由此,在目标⑤,即包含零电流的大电流范围内,也能满足目标性能。

图1是此次开发的电源的系统图,图2是240A输出电流的电流稳定性,图3是电源主体的外观和斩波单元的照片。电源由尼吉康制造。

用SiC功率半导体技术开发大功率高稳定性电源

图1:此次开发的电源的系统图

用SiC功率半导体技术开发大功率高稳定性电源

图2:模式运行中的电流稳定性

用SiC功率半导体技术开发大功率高稳定性电源

图3:此次开发的脉冲电源主体的外观和作为电路心脏部的斩波单元

文 客观日本编辑部

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