Slik gjør du energiinfrastrukturen mer effektiv og pålitelig, samtidig som kostnadene reduseres

Konstruktører av energiinfrastruktur, for eksempel ladestasjoner for elbiler (EV), solenergi-invertere, energilagringssystemer og avbruddsfrie strømsystemer, møter kontinuerlig nye utfordringer relatert til å redusere karbonfotavtrykk, forbedre pålitelighet og minimere kostnader.

For å oppnå disse målene må de være oppmerksomme på hvordan de kan optimalisere strømomformingsløsningene sine for å redusere konduksjons- og vekslingstap, opprettholde god termisk ytelse, redusere den generelle størrelsen og minske elektromagnetisk interferens (EMI). De skal også sikre at den valgte løsningen er i stand til å oppfylle produksjonsdelens godkjenningsprosess (PPAP) og være kvalifisert til AEC-Q101.

For å møte disse utfordringene kan konstruktører velge fra en rekke effekt-MOSFET-er av silisiumkarbid (SiC), SiC Schottky-dioder, gate-driver-IC-er og strømmoduler.

Denne artikkelen gjennomgår kort hvordan SiC-teknologi kan øke effektivitet og pålitelighet samt redusere kostnader, sammenlignet med klassiske tilnærminger med silisium (Si). Den ser deretter på alternativer for kapslinger og systemintegrasjon for SiC, og introduserer deretter flere eksempler fra onsemi som viser hvordan konstruktører best kan bruke disse til å optimalisere ytelsen til SiC effekt-MOSFET-en og gate-driveren for å møte utfordringene relatert til energiinfrastruktur.

SiC kontra Si

SiC er et materiale med bred båndavstand (WBG – wide bandgap), der båndavstanden er på 3,26 elektronvolt (eV) sammenlignet med båndavstanden på 1,12 eV for Si. Den tilbyr også 10 ganger feltets gjennombruddsevne, over 3 ganger termisk konduktivitet, og kan operere ved mye høyere temperaturer sammenlignet med Si. Disse spesifikasjonene gjør SiC godt egnet for bruksområder relatert til energiinfrastruktur (tabell 1).

Tabell 1: Materialegenskapene til 4H-SiC sammenlignet med Si, gjør SiC godt egnet for bruksområder relatert til energiinfrastruktur. (Bildekilde: onsemi)

Det høyere gjennombruddsfeltet gjør det mulig for tynnere SiC-enheter å ha samme spenningsområde som tykkere Si-enheter, og de tynnere SiC-enhetene har tilsvarende lavere på-motstand og høyere strømkapasitet. Mobilitetsparameteren til SiC er i samme størrelsesorden som Si, noe som gjør begge materialene egnet for høyfrekvent strømomforming, som støtter kompakte formater. Den høyere termiske konduktiviteten til SiC-enheter betyr at de opplever en lavere temperaturøkning ved høyere strømnivåer. Driftstemperaturen til SIC-enheter er begrenset av kapslingsfaktorer som trådforbindelser, ikke av SIC-materialeegenskaper. Som et resultat er valget av den optimale kapslingstypen et viktig hensyn som konstruktører må ta når de bruker SiC.

Materialegenskapene til SiC gjør dem til et førsteklasses valg for mange strømomformere med høy spenning, høy hastighet, høy strøm og høy tetthet. I mange tilfeller er ikke spørsmålet om man skal bruke SIC, spørsmålet er hvilken SIC-kapslingsteknologi som gir optimal ytelses- og kostnadsavbalansering.

Konstruktører har tre grunnleggende kapslingsvalg når de bruker SiC-strømteknologi: Frittstående enheter, intelligente strømmoduler (IPM – intelligent power module) eller integrerte strømmoduler (PIM – power integrated module), som alle tilbyr et unikt sett med kostnads- og ytelsesavveininger (tabell 2). For eksempel:

• Frittstående enheter er vanligvis å foretrekke når kostnader er en viktig faktor, for eksempel i forbrukerkonstruksjoner. De støtter også doble kilder og har lang levetid.
• IPM-løsninger reduserer konstruksjonstiden, har den høyeste påliteligheten og er de mest kompakte løsningene for moderate effektnivåer.
• PIM-er kan støtte konstruksjoner med høyere effekt og som har gode strømtettheter, er rimelig raske å få ut på markedet, har et bredt utvalg av konstruksjonsalternativer og har flere muligheter for doble kilder, sammenlignet med IPM-er.

Tabell 2: Sammenligning av integrasjonsfunksjoner og avveininger når valget av kapslingsløsning står mellom frittstående, IPM og PIM SiC. (Bildekilde: onsemi)

Hybride Si/SiC IPM-er

Selv om det er mulig å utvikle løsninger som bare bruker SiC-enheter, er det noen ganger mer kostnadseffektivt å bruke hybride Si/SiC-konstruksjoner. For eksempel kombinerer den hybride IPM-en NFL25065L4BT fra onsemi fjerdegenerasjons Si IGBT-er med en SiC boost-diode på utgangen for å danne en overlappet effektfaktorkorreksjon (PFC – power factor correction) på inngangsstadiet for forbrukerkonstruksjoner, industrielle konstruksjoner og medisinske konstruksjoner (figur 1). Denne kompakte IPM-en inkluderer en optimalisert gate-driver for IGBT-ene for å minimere EMI og tap. Integrerte beskyttelsesfunksjoner omfatter underspenningssperre, overspenningssperre, termisk overvåking og feilrapportering. Andre funksjoner i NFL25065L4BT omfatter:

• 600 volt/50 ampere (A) tofaset overlappet effektfaktorkorreksjon (PFC)
• Optimalisert for 20 kilohertz (kHz) vekslingsfrekvens
• Lav termisk motstand ved bruk av aluminiumoksid-substrat med direkte binding av kobber (DBC – direct bond copper)
• Termistor med integrert negativ temperaturkoeffisient (NTC – negative temperature coefficient) for temperaturovervåking
• Isolasjonsklassifisering på 2500 volt RMS/1 minutt
• UL-sertifisering

Figur 1: NFL25065L4BT IPM-en danner et overlappet PFC-stadie ved å bruke fjerdegenerasjons Si IGBT-er med en SiC boost-diode på utgangen. (Bildekilde: onsemi)

SiC PIM-er

For solenergi-invertere, ladestasjoner for elbiler og andre lignende konstruksjoner som kan dra nytte av å bruke en SiC-basert PIM til å maksimere strømforsyning med redusert format og mindre samlet volum, kan konstruktører velge å bruke NXH006P120MNF2PTG. Denne enheten består av en 6 milliohm (mΩ), 1200 volt, SiC MOSFET-halvbro og en integrert NTC-termistor i en F2-kapsling (figur 2). Kapslingsalternativene omfatter:

• Med eller uten forhåndspåført termisk kontaktflatemateriale (TIM – thermal interface material)
• Loddbare eller innpressede pinner

Figur 2: Den integrerte strømmodulen NXH006P120MNF2PTG leveres i en F2-kapsling med innpressede (press-fit) pinner. (Bildekilde: onsemi)

Disse IPM-ene har en maksimal driftstemperatur på 175 grader Celsius (°C) og krever ekstern styring og gate-drivere. Den valgfrie innpressingsteknologien, også kalt kaldsveising, gir en pålitelig forbindelse mellom pinnene og de pletterte gjennomgående hullene på kretskortet. Innpressing gir enklere montering uten lodding og produserer en gasstett metall-til-metall-forbindelse med lav motstand.

SiC Schottky-dioder

SiC Schottky-dioder kan brukes i kombinasjon med IPM-er, eller i 100 % frittstående konstruksjoner, og de gir bedre vekslingsytelse og høyere pålitelighet sammenlignet med Si-dioder. SiC Schottky-dioder, slik som NDSH25170A på 1700 volt/25 A, har ingen sperreforsinkelsesstrøm, utmerket termisk ytelse og temperatur-uavhengige vekslingsegenskaper. Disse fører til høyere effektivitet, raskere vekslingsfrekvenser, høyere effekttetthet, lavere EMI og enkel parallellkobling, som alle bidrar til å redusere løsningens størrelse og kostnader (figur 3). Funksjonene til NDSH25170A omfatter:

• 175 °C maksimal grenseskikttemperatur
• 506 millijoule (mJ) skredklassifisering
• Ikke-repeterende støtstrøm på opptil 220 A og gjentatte støtstrømmer opptil 66 A
• Positiv temperaturkoeffisient
• Ingen sperreforsinkelse (reverse recovery) og ingen foroverrettet gjenoppretting (forward recovery)
• AEC-Q101-kvalifikasjon og PPAP-kapasitet

Figur 3: Den 1700 volt/25 A NDSH25170A SiC Schottky-dioden har ingen sperreforsinkelsesstrøm, og den har utmerket termisk ytelse og temperatur-uavhengige vekslingsegenskaper. (Bildekilde: onsemi)

Frittstående SiC MOSFET-er

Konstruktører kan kombinere frittstående SiC Schottky-dioder med onsemi sine 1200 V SiC MOSFET-er, som også har overlegen vekslingsytelse, lavere PÅ-motstand og bedre pålitelighet sammenlignet med Si-enheter. Den kompakte brikkestørrelsen til SiC MOSFET-er produserer lav kapasitans og gate-ladning. Kombinert med den lave PÅ-motstanden, bidrar den lavere kapasitansen og gate-ladningen til å øke systemets effektivitet, muliggjøre raskere vekslingsfrekvenser, øke effekttettheter, redusere elektromagnetisk interferens (EMI) og muliggjøre mindre løsningsformater. For eksempel er NTBG040N120SC1 klassifisert for 1200 volt og 60 A, og leveres i en D2PAK−7L-kapsling for overflatemontering (figur 4). Funksjonene omfatter:

• 106 nanocoulomb (nC) typisk gate-ladning
• 139 pikofarad (pF) typisk utgangskapasitans
• 100 % skredtesting
• Operasjon med 175 °C grenseskikttemperatur
• AEC-Q101-kvalifisering

Figur 4: NTBG040N120SC1 SiC MOSFET-er er klassifisert for 1200 volt/60 A, de har en motstand på 40 mΩ, og de leveres i en D2PAK−7L-kapsling for overflatemontering. (Bildekilde: onsemi)

SiC MOSFET gate-driver

Gate-drivere for SiC MOSFET-er, for eksempel onsemi NCx51705-linjen, leverer en høyere driftspenning enn drivere for Si MOSFET-er. Det kreves en gate-spenning på 18 til 20 volt for å slå på en SiC MOSFET, sammenlignet med mindre enn 10 volt som trengs for å slå på en Si MOSFET. I tillegg krever SiC MOSFET-er en gate-stasjon på −3 til −5 volt når enheten slås av. Konstruktører kan bruke NCP51705MNTXG med enkel høyhastighetsdriver på 6 A på lavsiden som er optimalisert for SiC MOSFET-er (figur 5). NCP51705MNTXG leverer den maksimale nominelle driftsspenningen for å muliggjøre lave tap i ledere, og den gir høye toppstrømmer under på- og avslåing for å minimere vekslingstap.

Figur 5: Forenklet skjema som viser to NCP51705MNTXG driver-IC-er (til høyre i midten) som driver to SiC MOSFET-er (høyre) i en halvbrotopologi. (Bildekilde: onsemi)

Konstruktører kan bruke den integrerte ladepumpen til å generere en brukervalgbar negativ spenningsskinne for å gi høyere pålitelighet, forbedret dv/dt-immunitet og raskere avslåing. I isolerte konstruksjoner kan en eksternt tilgjengelig 5-volts skinne drive den sekundære siden av digitale eller høyhastighets optoisolatorer. Beskyttelsesfunksjoner i NCP51705MNTXG omfatter termisk avstenging basert på grenseskikttemperaturen til driverkretsen, og overvåking av utlåsning ved underspenning i forspenningsstrømmen.

Vurdering av evalueringskort og SiC gate-driver

For å fremskynde evaluerings- og konstruksjonsprosessen, kan konstruktører bruke NCP51705SMDGEVB-evalueringskortet (EVB) for NCP51705 (figur 6). EVB-en inkluderer en NCP51705-driver og alle nødvendige drivkretser, deriblant en digital isolator på kortet og muligheten til å lodde en hvilken som helst SiC eller Si MOSFET i en TO−247-kapsling. EVB-en er konstruert for bruk i alle konstruksjoner for strømveksling på lavsiden eller høysiden. To eller flere av disse EVB-ene kan konfigureres i en totempoledriver.

Figur 6: NCP51705SMDGEVB EVB-en har hull (øverst til venstre) for å koble til en SiC eller Si effekt-MOSFET, og inkluderer NCP51705-driveren (U1, i midten til venstre) og den digitale isolator-IC-en (høyre i midten). (Bildekilde: onsemi)

Minimering av kretskortets parasittinduktans og -kapasitans er viktig når NCP51705-gate-driveren brukes med en SiC MOSFET (figur 7). Noen hensyn til kretskortlayout omfatter:

• NCP51705 bør være så nærme SiC MOSFET-en som mulig, med spesiell oppmerksomhet rettet mot korte spor mellom VDD, SVDD, V5V, ladepumpe og VEE-kondensator, samt MOSFET-en.
• Sporet mellom VEE og PGND bør være så kort som mulig.
• Det må være separasjon mellom de høye dV/dt-sporene og driverinngangen og DESAT for å unngå unormal drift som følge av støykobling.
• For konstruksjoner med høye temperaturer, bør termiske gjennomgangsbaner brukes mellom den eksponerte platen og det ytre laget for å minimere termisk impedans.
• Brede spor må brukes for OUTSRC, OUTSNK og VEE.

Figur 7: Anbefalt kretskortlayout for NCP51705 for å minimere parasittinduktans og -kapasitans ved drift av SiC MOSFET-er. (Bildekilde: onsemi)

Konklusjon

SiC spiller en viktig rolle når det kommer til å hjelpe konstruktører med å møte kravene til et økende antall og mangfold av konstruksjoner innen energiinfrastruktur. Konstruktører kan nå bruke SiC-enheter til å konstruere mer effektive strømomformere med høy spenning, høy hastighet og høy strøm, noe som resulterer i løsninger med mindre størrelse og høyere strømtetthet. Valget av den optimale kapslingstypen er imidlertid viktig for å få størst mulig utbytte av å konstruere med SiC.

Som vist, er det et spekter av avveininger relatert til ytelse, tiden det tar å få det ferdige produktet ut på markedet og kostnader som må vurderes når det skal velges mellom frittstående enheter, IPM-er og PIM-er. Når du bruker frittstående enheter eller PIM-er, er også valget av SiC gate-driveren og den optimale kretskortlayouten avgjørende for å oppnå pålitelig og effektiv systemytelse.

Anbefalt lesing

1. Slik implementeres MOSFET-er av silisiumkarbid (SiC MOSFET-er) i konstruksjoner for å forbedre virkningsgraden på EV-trekkraftinvertere
2. Slik sørger du for sikker og effektiv modulær BESS-distribusjon ved å bruke pluggbare batteripolsko