Slik implementeres MOSFET-er av silisiumkarbid (SiC MOSFET-er) i konstruksjoner for å forbedre virkningsgraden på EV-trekkraftinvertere

Av Steven Keeping

Bidrag fra Digi-Keys nordamerikanske redaktører

Ingeniører står overfor en avveining mellom ytelsen og rekkevidden til moderne elektriske kjøretøyer (EV-er). Raskere akselerasjon og høyere marsjfart krever hyppigere og tidkrevende ladestopp. Alternativt kommer lengre rekkevidde på bekostning av mer dempet energiforbruk ved fremdrift. For å øke rekkevidden, og samtidig tilby sjåførene høyere ytelse, må ingeniørene designe drivlinjene som sikrer at så mye batterienergi som mulig overføres til drivhjulene. Like viktig er behovet for å holde drivlinjene små nok til å passe innenfor kjøretøyets begrensninger. Disse tvillingkravene krever både høyvirksomme komponenter og komponenter med høy energitetthet.

Nøkkelkomponenten i et EV-drivaggregat er den trefasede spenningskildeinverteren (eller "trekkraftinverteren") som konverterer batterienes likestrømsspenning til vekselstrøm som kreves for kjøretøyets elektriske motor(er). Å bygge en trekkraftinverter med høy virkningsgrad er avgjørende for å senke avveiningen mellom ytelse og rekkevidde, og en av de viktigste måtene å forbedre virkningsgraden på, er riktig bruk av halvlederkomponenter med bredbåndsgap (WBG) av silisiumkarbid (SiC).

Denne artikkelen beskriver rollen til EV-trekkraftinverteren. Den forklarer deretter hvordan utforming av enheten med SiC power MOSFET-er (metal oxide semiconductor field-effect transistor) kan gi et mer effektivt EV-drivaggregat enn en ved hjelp av IGBT-er (insulated-gate bipolar transistors). Artikkelen avsluttes med et eksempel på en trekkraftinverter med MOSFET-er av silisiumkarbid (SiC MOSFET-er), samt konstruksjonstips (designtips) for hvordan maksimere enhetens virkningsgrad.

Hva er en trekkraftomformer?

En Evs trekkraftinverter (trekkomformer) omformer, eller konverterer, om du vil, likestrømmen fra kjøretøyets høyspenningsbatterier til vekselstrømmen som kreves av den elektriske motoren for å produsere det dreiemomentet som kreves for å flytte kjøretøyet. Den elektriske ytelsen til trekkraftinverteren har en betydelig innvirkning på kjøretøyets akselerasjon og kjøreområde.

Moderne trekkomformere drives av HV-batterisystemer på 400 volt, eller nylig, 800 volt-konstruksjoner. Med strømmer i trekkraftinvertere på 300 ampere (A) eller mer, er en enhet drevet av et 800-volts batterisystem i stand til å levere over 200 kilowatt (kW) effekt. Etter hvert som strømmen har steget, har størrelsen på vekselretteren krympet, noe som øker strømtettheten betydelig.

EV-er med 400-volts batterisystemer krever vekselrettere med effekt halvlederenheter klassifisert i området 600 til 750-volt, mens 800-volts kjøretøyer krever halvlederenheter klassifisert i området 900 til 1200 volt. Strømkomponentene som brukes i trekkraftinvertere, må også kunne håndtere spenningstopper med vekselstrøm (AC) på over 500 A i 30 sekunder, samt en maksimal vekselstrøm på 1600 A i ett millisekund (ms). I tillegg må transistorene og gate-driverne som brukes til veksling (switching) i enheten, være i stand til å håndtere disse store lastene samtidig som trekkraftinverterene virkningsgrad opprettholdes (tabell 1).

Tabell over typiske krav til 2021-trekkraftinvertereTabell 1: Typiske 2021 krav til trekkraftinverteree; energitetthet viser en 250 % økning, sammenlignet med 2009. (Bildekilde: Steven Keeping)

En trekkraftinverter består vanligvis av tre halvbroelementer (høyside pluss lavsidebrytere), en for hver motorfase, med gate-drivere som styrer lavsideveksling til hver transistor. Hele montasjen må være galvanisk isolert fra lavspenningskretsene (LV) som driver resten av kjøretøyets systemer (figur 1).

Skjema over EV krever en trefaset spenningskildeomformer (klikk for å forstørre)Figur 1: En EV krever en trefaset spenningskildeomformer/inverter (trekkraftomformer/inverter) for å konvertere høyspent (HV) likestrøm til vekselstrøm som kreves av kjøretøyets elektriske motor(er). HV-systemet, inkludert trekkraftinverteren, er isolert fra kjøretøyets konvensjonelle 12-volt-system. (Bildekilde: ON Semiconductor)

Bryterne i eksemplet som er vist i figur 1, er IGBT-er. Disse har vært et populært valg for en trekkraftinverter, fordi de er i stand til å håndtere høye spenninger, veksle raskt, tilby god effektivitet og er relativt rimelige. Men ettersom kostnaden for effekt-MOSFET-er av silisiumkarbid har falt og de har blitt mer kommersielt tilgjengelige, vender ingeniører seg til disse komponentene på grunn av deres betydelige fordeler i forhold til IGBT-er.

Fordel med SiC MOSFET-er med gate-drivere med høy virkningsgrad

De viktigste ytelsesfordelene til effekt-MOSFET-er av silisiumkarbid i forhold til konvensjonelle silisium (Si) MOSFET-er og IGBT-er kommer fra enhetens WBG-halvledersubstrat (bærelag). MOSFET-er av silisium (Si MOSFET-er) har en båndavstand-energi på 1,12 elektronvolt (eV) sammenlignet med MOSFET-er av silisiumkarbid (SiC MOSFET-er), som har 3,26 eV. Det betyr at WBG-transistoren tåler mye høyere gjennombruddsspenninger enn Silisium-enheter (Si-enheter), samt en resulterende feltspenning ved gjennombrudd som er omtrent ti ganger større enn Si. Den høye feltspenningen ved gjennombrudd tillater en reduksjon i enhetens tykkelse for en gitt spenning, noe som senker «på»-motstanden (RDS(ON)) og dermed reduserer vekslingstap og forbedrer strømbærende evne.

En annen viktig fordel med silisiumkarbid (SiC) er dens varmekonduktivitet, som er omtrent tre ganger høyere enn silisium (Si). Høyere varmeledningsevne resulterer i en mindre grenseskikttemperatur-stigning (Tj) for en gitt effektavledning. SiC MOSFET-er tåler også en høyere maksimal overgangstemperatur (Tj(maks)) enn Si. En typisk Tj(maks) verdi for en Si MOSFET er 150 ˚C; SiC-enheter tåler en Tj(maks) på opptil 600 ˚C, selv om kommersielle enheter vanligvis er klassifisert ved 175 til 200 ˚C. Tabell 2 gir en sammenligning av egenskaper mellom Si og 4H-SiC (den krystallinske formen av SiC som vanligvis brukes til å fremstille MOSFET-er).

Tabell over SiC MOSFET-ers nedbrytingsfelt, varmekonduktivitet og maksimale grenseskikttemperatur (junction temperature)Tabell 2: Et SiC MOSFETs nedbrytingsfelt, varmekonduktivitet og maksimale grenseskikttemperatur (junction temperature) gjør det til et bedre valg enn silisium for bruksområder med høyspent- og høyspent-veksling. (Bildekilde: ON Semiconductor)

Høy gjennombruddsspenning, lav RDS(ON), høy varmeledningsevne og høy Tj(max) tillater en SiC MOSFET å håndtere mye høyere strøm og spenning enn en tilsvarende størrelse MOSFET av silisium (Si MOSFET).

IGBT-er er også i stand til å håndtere høye spenninger og strømmer og har en tendens til å være billigere enn SiC MOSFET-er – en viktig grunn til å finne dem til fordel for konstruksjon av trekkraftinvertere. Ulempen med IGBT-er, spesielt når utvikleren er ute etter å maksimere energitettheten, er en begrensning på den maksimale driftsfrekvensen på grunn av deres «etterslepende strøm» og relativt langsomme svingning. Derimot er en SiC MOSFET i stand til å håndtere høyfrekvent veksling på lik linje med en MOSFET av silisium (Si MOSFET), men med spennings- og strømhåndteringsevnen til en IGBT.

Større tilgjengelighet på SiC MOSFET-er

Inntil nylig har den relativt høye prisen på SiC MOSFET-er sett bruken begrenset til trekkraftinvertere for luksusbiler, men fallende priser har sett SiC MOSFET-er bli et alternativ for et bredere utvalg.

To eksempler på denne nye generasjonen av effekt-MOSFET-er av silisiumkarbid kommer fra ON Semiconductor: NTBG020N090SC1 og NTBG020N120SC1. Den største forskjellen mellom enhetene er at førstnevnte har en maksimal gjennombruddsspenning for drain-til-source (V(BR)DSS) på 900 volt, med en gate-til-source-spenning (VGS) på 0 volt og en kontinuerlig drain-strøm (ID) på 1 milliampere (mA), mens sistnevnte har en maksimal V(BR)DSS på 1200 volt (under samme forhold). Maksimal Tj for begge enhetene er 175 ˚C. Begge enhetene er enkelt N-kanals MOSFET-er i en D2PAK-7L-kapsling(figur 2).

Skjema over ON Semiconductor N-kanals effekt-MOSFET-er av silisiumkarbid NTBG020N090SC1 og NTBG020N120SC1Figur 2: N-kanals effekt-MOSFET-er av silisiumkarbid NTBG020N090SC1 og NTBG020N120SC1 kommer begge i en D2PAK-7L-kapsling og skiller seg hovedsakelig i deres V(BR)DSS verdier på henholdsvis 900 og 1200 volt. (Bildekilde: Steven Keeping, ved hjelp av materiale fra ON Semiconductor)

NTBG020N090SC1 har en RDS(ON) på 20 milliohm (mΩ) med en VGS på 15 volt (ID = 60 A, Tj = 25 ˚C), og en RDS(ON) på 16 mΩ med en VGS på 18 volt (ID = 60 A, Tj = 25 ˚C). Maksimal kontinuerlig foroverstrøm for drain-source-dioden (ISD) er 148 A (VGS = −5 volt, Tj = 25 ˚C), og maksimal pulserende foroverstrøm for drain-source-dioden er (ISDM) 448 A (VGS = −5 volt, Tj = 25 ˚C). NTBG020N120SC1 har en RDS(ON) på 28 mΩ ved en VGS på 20 volt (ID = 60 A, Tj = 25 ˚C). Maksimum ISD er 46 A (V.GS = -5 volt, Tj = 25 ˚C), og maksimum ISDM er 392 A (V.GS = -5 volt, Tj = 25 ˚C).

Konstruere med SiC-MOSFET-er

Til tross for sine fordeler, må designere som ønsker å innlemme SiC MOSFET-er i sin konstruksjon av trekkraftinvertere være oppmerksomme på en betydelig komplikasjon; transistorene har vanskelige krav til gate-driver. Noen av disse utfordringene oppstår på grunn av det faktum at sammenlignet med Si MOSFET-er, utviser SiC MOSFET-er lavere transkonduktans, høyere indre gate-motstand, og gate-innkoblingsterskelen for å slå på kan være mindre enn 2 volt. Som et resultat må gaten trekkes under jord (vanligvis til −5 volt) under AV−-tilstanden for å sikre riktig veksling.

Utfordringen med gate-driveren er imidlertid det faktum at en stor VGS (opptil 20 volt) må brukes for å sikre en lav RDS(ON). Å bruke en SiC MOSFET på en VGS som er for lav, kan føre til termisk påkjenning, eller til og med, svikt på grunn av strømavledning (figur 3).

Diagram over ON Semiconductor NTBG020N090SC1 SiC MOSFETFigur 3: For NTBG020N090SC1 SiC MOSFET-en er det påkrevd med en høy VGS for å unngå termisk påkjenning (stress) fra høy RDS(ON). (Bildekilde: ON Semiconductor)

I tillegg, fordi en SiC MOSFET er en enhet med lav forsterkning, må designeren ta hensyn til hvilken innvirkning dette har på flere andre viktige dynamiske egenskaper når du konstruerer en gate-driverkrets. Disse egenskapene inkluderer Millerplatået for gate-lading og kravet til overstrømsbeskyttelse.

Disse designkomplikasjonene krever en spesialisert gate-driver med følgende egenskaper:

  • En evne til å gi en VGS -drift på -5 til 20 volt for å dra full nytte av ytelsesfordelene ved SiC MOSFET-en. For å sikre tilstrekkelig overhøyde til å oppfylle dette kravet, må gate-driverkretsen kunne motstå VDD = 25 volt og VEE = −10 volt.
  • VGS må ha raske heve- og fallkanter, i størrelsesorden noen få nanosekunder (ns).
  • Gate-driveren må være i stand til å hente høy topp gate-strøm i størrelsesorden flere ampere, over hele MOSFET-ens Miller-platåområde.
  • Den nominelle sink-strømmen må høyere enn den som kreves for å bare frigjøre inngangskapasitansen til SiC MOSFET-en. Det må tas hensyn til en minsteverdi for spisser i den nominelle sink-strømmen maksimal sink-strøm i størrelsesorden 10 A for høyytelses-, halvbro-effekttopologier.
  • Lav parasittinduktans for høyhastighetsveksling.
  • Liten driverkapsling som kan plasseres så nær som mulig silisiumkarbid-MOSFET-en (SiC MOSFET) for å øke energitettheten.
  • En funksjon for desaturering (DESAT) (metningsminskning) som kan detektere, rapportere feil og gi beskyttelse for langsiktig pålitelig drift.
  • AVDD-underspenningssperre (UVLO) som er tilpasset kravet om at VGS > 16 volt før veksling starter.
  • VEE UVLO-overvåkingsevne for å sikre at den negative spenningsskinnen er innenfor et akseptabelt område.

ON Semiconductor har introdusert en gate-driver, designet for å oppfylle disse kravene i konstruksjon av trekkraftinvertere. SiC MOSFET-gate-driveren NCP51705MNTXG har et høyt integrasjonsnivå, noe som gjør den kompatibel med deres egne SiC MOSFET-er, samt et bredt spekter av produsenter. Enheten inkluderer mange grunnleggende funksjoner som er felles for gate-drivere for generell bruk, men har også spesialiserte krav som er nødvendige for å designe en pålitelig SiC MOSFET gate-driverkrets ved å benytte minimalt av eksterne komponenter.

NCP51705MNTXG har for eksempel en DESAT-funksjon som kan implementeres ved hjelp av bare to eksterne komponenter. DESAT er en form for overstrømsbeskyttelse for IGBT-er og MOSFET-er for å overvåke en feil der VDS kan stige maksimalt ID. Dette kan påvirke effektiviteten og i verste fall muligens skade MOSFET-en. Figur 4 viser hvordan NCP51750MNTXG overvåker VDS av MOSFET (Q1) via DESAT-pinnen gjennom R1 og D1.

Skjema for ON Semiconductor NCP51705MNTXGs DESAT-funksjonFigur 4: NCP51705MNTXGs DESAT-funksjon måler VDS for unormal oppførsel i perioder med maksimal ID og implementerer overstrømsbeskyttelse. (Bildekilde: ON Semiconductor)

Gate-driveren NCP51705MNTXG har også programmerbar UVLO. Dette er en viktig funksjon når du kjører SiC MOSFET-er fordi utgangen til vekslingskomponenten må være deaktivert til VDD er over en kjent terskel. Å la driveren få veksle MOSFET ved lav VDD kan skade enheten. NCP51705MNTXGs programmerbare UVLO beskytter ikke bare lasten, men bekrefter for styreenheten at den påførte VDD er over innkoblingterskelen for å slå på. UVLO-innkoblingssterskelen er stilt med en enkelt motstand mellom UVSET og SGND (figur 5).

Diagram av UVLO-innkoblingsterskelen for ON Semiconductor NCP51705MNTXG SiC MOSFETFigur 5: UVLO-innkoblingterskelen for NCP51705MNTXG SiC MOSFET settes av UVSET-motstand, RUVSET, som velges i henhold til en ønsket UVLO-terskel for å slå på innkoblingsspenning, VON. (Bildekilde: ON Semiconductor)

Digital isolasjon for trekkraftinvertere

For å fullføre en konstruksjon av en trekkraftinverter må ingeniøren sikre at LV-siden av kjøretøyets elektronikk er isolert fra de høye spenningene og strømmene som går gjennom inverteren/vekselretteren (Figur 2 ovenfor). Men fordi mikroprosessoren som styrer HV-gate-driverne er på LV-siden, må enhver isolasjon tillate passasje av digitale signaler fra mikroprosessoren til gate-driverne. ON Semiconductor tilbyr også en komponent for denne funksjonen, NCID9211R2, en høyhastighets, tokanals, toveis keramisk digital isolator.

NCID9211R2 er en galvanisk isolert, full-dupleks digital isolator som tillater digitale signaler å passere mellom systemer uten å lede jordsløyfer eller farlige spenninger. Enheten har en maksimal arbeidsisolasjon på 2000 volttopp, 100 kilovolt/millisekund (kV/ms) fellesmodus avvisning, og en 50 megabit per sekund (Mbit/s) datagjennomstrømning.

Keramiske kondensatorer utenom brikken (Off−chip) danner isolasjonsbarrieren som vist i figur 6.

Blokkskjema som illustrerer en enkelt kanal av ON Semiconductor NCID9211R2 digital isolatorFigur 6: Blokkskjema som illustrerer en enkelt kanal på den digitale isolatoren NCID9211R2. Kondensatorer utenom brikken (Off-chip-kondensatorer) danner isolasjonsbarrieren. (Bildekilde: ON Semiconductor)

De digitale signalene overføres over isolasjonsbarrieren ved hjelp av EN OOK-tastingsmodulasjon (ON-OFF keying) for på/av anpassning. På sendersiden er VIN-inngangens logiske tilstand modulert med et høyfrekvent bæresignal. Det resulterende signalet forsterkes og overføres til isolasjonsbarrieren. Mottakersiden detekterer barrieresignalet og demodulerer det ved hjelp av en deteksjonsteknikk for informasjonsstart el. -slutt ( envelope detection technique) (figur 7). Utgangssignalet bestemmer VO -utgangens logiske tilstand når utgangskontrollen for aktivering EN er høy. VO er som standard i en høyimpedans lav tilstand når senderens strømforsyning er av, eller VIN-inngangen er frakoblet.

Skjema over ON Semiconductor NCID9211 digital isolator bruker OOK MODULERINGFigur 7: Den digitale isolatoren NCID9211 bruker OOK-MODULERING for å sende digital informasjon over isolasjonsbarrieren. (Bildekilde: ON Semiconductor)

Konklusjon

Effekt-MOSFET-er av silisiumkarbid er et godt alternativ for trekkraftinvertere med høy virkningsgrad og høy effekttetthet for elbiler, men deres elektriske egenskaper gir unike designutfordringer med hensyn til gate-drivere og enhetsbeskyttelse. I tillegg til designutfordringene, må ingeniører også sikre at deres konstruksjon av trekkraftinvertere tilbyr isolasjon på høyt nivå fra kjøretøyets følsomme LV-elektronikk.

Som vist, for å lette ingeniørutviklingen, tilbyr ON Semiconductor en rekke SiC MOSFET-er, spesialiserte gate-drivere og digitale isolatorer for å oppfylle kravene til trekkraftinvertere, og oppnå en bedre balanse mellom langdistanse og høy ytelse for moderne elbiler.

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of Digi-Key Electronics or official policies of Digi-Key Electronics.

Om skribenten

Steven Keeping

Steven Keeping is a contributing author at Digi-Key Electronics. He obtained an HNC in Applied Physics from Bournemouth University, U.K., and a BEng (Hons.) from Brighton University, U.K., before embarking on a seven-year career as an electronics manufacturing engineer with Eurotherm and BOC. For the last two decades, Steven has worked as a technology journalist, editor and publisher. He moved to Sydney in 2001 so he could road- and mountain-bike all year round, and work as editor of Australian Electronics Engineering. Steven became a freelance journalist in 2006 and his specialities include RF, LEDs and power management.

Om denne utgiveren

Digi-Keys nordamerikanske redaktører