SiC MOSFET-ek használata elektromos járművek hajtásinvertereinek hatásfokának javításához

A modern elektromos járművek esetében a mérnököknek kompromisszumokat kell kötniük a teljesítmény illetve a járművek hatótávolsága között. Nagyobb gyorsulások és utazósebesség esetén feltöltésekre is gyakrabban és hosszabb időtartamokra van szükség. Ezzel szemben a nagyobb hatótávolság a lassabb haladás árán érhető el. A hatótávolság növeléséhez – ugyanakkor ügyelve arra is, hogy a járművezetők számára nagyobb teljesítményt kínáljanak – a mérnököknek olyan hajtásláncokat kell megtervezniük, amelyek biztosítják, hogy a lehető legtöbb akkumulátor-energia jusson el a hajtott kerekekhez. Ugyanilyen fontos az is, hogy a hajtásláncok elég kicsik legyenek ahhoz, hogy elférjenek a járműben. Ez a kettős igény miatt egyszerre van szükség nagy hatásfokú és nagy energiasűrűségű alkatrészekre.

Az elektromos járművek hajtásláncán belül az egyik kulcsfontosságú elem a háromfázisú feszültségforrás invertere (vagy a „hajtásinverter”), amely az akkumulátorok egyenfeszültségét a jármű elektromos motorja(i) számára szükséges váltakozó feszültséggé alakítja át. A teljesítmény és a hatótáv közötti kompromisszum csökkentése szempontjából kritikusan fontos nagy hatásfokú hajtásinvertert alkalmazni, és az egyik kulcsfontosságú módszer a hatásfok javítására a széles tiltott sávú (WBG), szilícium-karbid (SiC) félvezető eszközök megfelelő használata.

Ez a cikk az elektromos járművekben található hajtásinverterek szerepét ismerteti. Ezután elmagyarázza, hogy a SiC-alapú fém-oxid-záróréteges térvezérlésű teljesítménytranzisztorok (MOSFET-ek) ezekben való használatával hogyan javítható az elektromos járművek hajtásláncának hatásfoka, a szigetelt kapus bipoláris tranzisztorokkal (IGBT-kel) megépített egységekéhez képest. A cikk egy SiC MOSFET-alapú hajtásinvertert bemutató példával és az egység hatásfokának maximalizálására vonatkozó tervezési tanácsokkal zárul.

Mi az a hajtásinverter?

Az elektromos járművek hajtásinvertere a jármű nagyfeszültségű (HV) akkumulátorai által biztosított egyenáramot alakítja át váltakozó árammá, hogy az elektromos motor elő tudja állítani azt a nyomatékot, ami a jármű mozgatásához kell. A hajtásinverter villamos működése jelentősen befolyásolja a jármű gyorsulását és hatótávolságát.

A mai hajtásinvertereket 400 voltos, illetve újabban 800 voltos nagyfeszültségű akkumulátor-rendszerek hajtják. 300 A vagy annál nagyobb hajtásinverter-áram esetén egy 800 V-os akkumulátorrendszerrel táplált eszköz több mint 200 kW teljesítmény leadására képes. A teljesítmény növekedésével párhuzamosan az inverterek mérete viszont csökkent, jelentősen növelve a teljesítménysűrűséget.

A 400 V-os akkumulátorrendszerű elektromos járműveknél 600-750 V névleges értékű félvezetős teljesítményelektronikai alkatrészekből megépített hajtásinverterekre van szükség, míg a 800 voltos járműveknél ez a tartomány 900-1200 V. A hajtásinverterekben használt teljesítményelektronikai alkatrészeknek képeseknek kell elbírni az 500 A feletti, 30 másodpercig tartó AC áramcsúcsokat, valamint a 1600 A erősségű maximális DC áramot legfeljebb 1 ms-ig. Ezenkívül, az eszközben használt kapcsoló tranzisztoroknak és kapumeghajtóknak képesnek kell ezen nagy terhelések kezelésére úgy, hogy közben fenntartják a hajtásinverter magas hatásfokát (1. táblázat).

1. táblázat: A hajtásinverterek tipikus követelményei 2021-ben; az energiasűrűség 250%-os növekedést mutat 2009-hez képest. (Kép: Steven Keeping)

A hajtásinverter jellemzően három félhidas elemet tartalmaz (magas oldali és alacsony oldali), mindegyik motorfázisra egyet, az egyes tranzisztorok alsó oldali kapcsolását vezérlő kapuvezérlőkkel. Az egész egységet galvanikusan el kell választani a jármű többi rendszerét tápláló kisfeszültségű (LV) áramköröktől (1. ábra).

1. ábra: egy elektromos járműnek szüksége van egy háromfázisú feszültségforrás-inverterre (hajtásinverterre), hogy a nagyfeszültségű (HV) akkumulátor által biztosított egyenáramot a jármű elektromos motorja(i) számára szükséges váltakozó árammá alakítsa. A HV-rendszer, beleértve a hajtásinvertert is, el van választva a jármű hagyományos 12 V-os rendszerétől. (Kép: ON Semiconductor)

Az 1. ábrán látható példában a kapcsolók IGBT típusúak. Eleddig gyakran voltak ezek a népszerű választás a hajtásinvertereknél, mivel képesek a nagy feszültségek kezelésére, gyorsan kapcsolnak, jó hatásfokot kínálnak, és viszonylag olcsók. Mivel azonban a SiC teljesítmény MOSFET-ek ára csökkent, és kereskedelmi forgalomban egyre inkább elérhetővé váltak, a mérnökök az IGBT-kkel szembeni jelentős előnyeik miatt egyre inkább ezekhez az alkatrészekhez fordulnak.

A SiC MOSFET-ek előnyei nagy hatásfokú kapumeghajtók szerepében

A SiC teljesítmény MOSFET-ek legfontosabb működésbeli előnye a hagyományos szilícium (Si) MOSFET-ekkel és IGBT-kkel szemben az, hogy ezeknél szubsztrátumként széles tiltott sávú félvezető anyagot alkalmaznak. A Si MOSFET-eknél a tiltott sáv értéke 1,12 eV, szemben a SiC MOSFET-ek 3,26 eV-os tiltott sávjával. Ez azt jelenti, hogy egy széles tiltott sávú tranzisztor átütési feszültsége sokkal nagyobb, mint az Si-alapú alkatrészeké, valamint az eredő átütési elektromos erőtér feszültsége (breakdown field voltage) körülbelül tízszer nagyobb, mint az Si alkatrészeknél. Mivel az átütési elektromos erőtér feszültsége ilyen magas, ennek köszönhetően az eszköz vastagsága adott feszültség mellett csökkenthető, ami miatt annak ellenálláse „bekapcsolt” állapotban (R_DS(ON)) is kisebb lesz, és így csökkennek a kapcsolási veszteségek és növekszik az áramátviteli képesség.

A SiC másik fő előnye annak jobb hővezető képessége, amely körülbelül háromszor nagyobb, mint a szilíciumé. A nagyobb hővezető képesség következtében a pn-átmenet hőmérséklete (T_j) kevésbé emelkedik adott energiaveszteség mellett. A SiC MOSFET-eknél a pn-átmenet maximális hőmérséklete (T_j(max)) is magasabb lehet, mint az Si-alapú alkatrészeknél. Az Si MOSFET-eknél a T_j(max) tipikus értéke 150 ˚C; ezzel szemben a SiC eszközök akár 600 ˚C-os T_j(max) hőmérsékelet is elviselnek, bár a kereskedelmi forgalomban kapható alkatrészeknél ennek névleges értéke jellemzően 175-200 ˚C. A 2. táblázat a Si és a 4H-SiC (a SiC-nak a MOSFET-ek gyártásához általánosan használt kristályos formája) tulajdonságainak összehasonlítását tartalmazza.

2. táblázat: A SiC MOSFET-eknél az átütési elektromos mező térerőssége, a hővezető képesség és a pn-átmenet maximális hőmérséklete miatt az Si-alapú alkatrészek helyett jobb az előbbieket választani nagyáramú és nagyfeszültségű kapcsolási alkalmazásokhoz. (Kép: ON Semiconductor)

A magas átütési feszültségnek, az alacsony R_DS(ON)-nak, a nagy hővezető képességnek és a magas T_j(max)-nak köszönhetően egy SiC MOSFET sokkal nagyobb áram és feszültség kezelésére képes, mint egy hasonló méretű Si MOSFET.

Az IGBT-k szintén képesek a nagy feszültségek és áramok kezelésére, és általában olcsóbbak a SiC MOSFET-eknél – ez az egyik fő oka annak, hogy a hajtásinverterek tervezésénél előnyben részesülnek. Az IGBT-k hátránya viszont, különösen akkor, ha a fejlesztő számára az energiasűrűség maximalizálása a cél, a korlátozott maximális működési frekvencia a maradékáram (tail current) és a viszonylag lassú kikapcsolás miatt. Ezzel szemben egy SiC MOSFET ugyanúgy képes kezelni a nagyfrekvenciás kapcsolásokat, mint egy Si MOSFET, de az IGBT feszültség- és áramátviteli képességeivel.

A SiC MOSFET-ek szélesebb körű elérhetősége

A közelmúltig a SiC MOSFET-ek viszonylag magas ára miatt alkalmazásuk a luxus villanyautók hajtásinvertereire korlátozódott, de a csökkenő árak miatt a SiC MOSFET-ek egyre szélesebb körben válnak elérhetővé.

Két példa a SiC teljesítmény MOSFET-ek új generációjára az ON Semiconductor NTBG020N090SC1 és NTBG020N120SC1 jelű alkatrészei. E két eszköz közötti fő különbség az, hogy az előbbinél a maximális drain-source átütési feszültség (V_(BR)DSS) 900 V, a gate-source feszültség (V_GS) 0 V és a folyamatos drain-áram (I_D) 1 mA, míg az utóbbinál a V_(BR)DSS maximális értéke 1200 V (azonos feltételek mellett). A maximális T_j mindkét eszköz esetében 175˚C, és mindkettejük egy N-csatornás MOSFET, D2PAK-7L tokban (2. ábra).

2. ábra: Az NTBG020N090SC1 és az NTBG020N120SC1 N-csatornás SiC teljesítmény MOSFET-ek mindkettejét D2PAK-7L tokozásban gyártják, és elsősorban a 900, illetve 1200 V V_(BR)DSS értékükben térnek el egymástól. (Kép: Steven Keeping, az ON Semiconductor anyagának felhasználásával)

Az NTBG020N090SC1 R_DS(ON) értéke 20 mΩ 15 V V_GS mellett (I_D = 60 A, T_j = 25˚C), és 16 mΩ R_DS(ON) 18 V V_GS mellett (I_D = 60 A, T_j = 25˚C). A maximális folyamatos nyitóirányú drain-source diódaáram (I_SD) 148 A (V_GS = -5 V, T_j = 25˚C), és a maximális impulzusos nyitóirányú drain-source diódaáram (I_SDM) 448 A (V_GS = -5 V, T_j = 25˚C). Az NTBG020N120SC1 R_DS(ON) értéke 28 mΩ 20 V V_GS mellett (I_D = 60 A, T_j = 25˚C). A maximális I_SD 46 A (V_GS = -5 V, T_j = 25˚C), a maximális I_SDM pedig 392 A (V_GS = -5 V, T_j = 25˚C).

SiC MOSFET-ek használata a tervekben

Minden előnyük ellenére a SiC MOSFET-eket a hajtásinverterekbe beépíteni kívánó tervezőknek tisztában kell lenniük egy jelentős komplikációval: a tranzisztorok kapumeghajtási követelményei elég trükkösek. E problémák egy része abból adódik, hogy a Si MOSFET-ekhez képest a SiC MOSFET-ek alacsonyabb transzkonduktanciával és nagyobb belső kapuellenállással rendelkeznek, és a kapu bekapcsolási küszöbértéke 2 V-nál alacsonyabb is lehet. A kaput emiatt kikapcsolt állapotban a földpotenciál alá kell vinni (jellemzően -5 V-ra) a megfelelő kapcsolás biztosítása érdekében.

A kapu meghajtásakor azonban a fő proléma abból adódik, hogy nagy V_GS-t (akár 20 V-ot) kell alkalmazni az alacsony R_DS(ON) biztosításához. Egy SiC MOSFET túl alacsony V_GS-en történő üzemeltetése az energiaveszteség miatt hőterheléshez vagy akár meghibásodáshoz is vezethet (3. ábra).

3. ábra: Az NTBG020N090SC1 SiC MOSFET esetében nagy V_GS szükséges a nagy R_DS(ON) ellenállás okozta hőterhelés elkerülése érdekében. (Kép: ON Semiconductor)

Továbbá, mivel a SiC MOSFET-ek erősítése alacsony, a tervezőnek figyelembe kell vennie, hogy ez milyen hatással van számos más fontos dinamikus jellemzőre egy kapumeghajtó áramkör tervezésekor. Ezek a jellemzők közé tartozik a gate töltési Miller-plató és a túláramvédelmi követelmény.

Ezek a tervezési komplikációk miatt egy következő tulajdonságokkal rendelkező speciális kapumeghajtóra van szükség:

• Képesnek kell lennie -5 és 20 V közötti V_GS meghajtást biztosítani a SiC MOSFET működésbeli előnyeinek teljes kihasználása érdekében. Ahhoz, hogy ennek a követelménynek a teljesítéséhez megfelelő túlfeszültséget biztosítson, a kapumeghajtó áramkörnek képesnek kell lennie V_DD = 25 V és V_EE = -10 volt elviselésére.
• A V_GS-nek gyors, néhány nanoszekundumos nagyságrendű felfutó és lefutó élekkel kell rendelkeznie.
• A kapumeghajtónak képesnek kell lennie nagy, több amper nagyságrendű csúcs kapuáramot biztosítani a MOSFET teljes Miller-plató tartományában.
• A nyelőáramnak nagyobbnak kell lennie annál, mint amennyi a SiC MOSFET bemeneti kapacitásának egyszerű lemerítéséhez szükséges. A nagy teljesítményű, félhidas teljesítményelektronikai kapcsolások esetében legalább 10 A nagyságrendű csúcsértékű nyelőáramot kell figyelembe venni.
• Alacsony parazita induktivitással kell rendelkeznie a nagy sebességű kapcsoláshoz.
• A tokozásnak kisméretűnek kell lennie a meghajtó esetében, hogy minél közelebb legyen elhelyezhető a SiC MOSFET-hez, és a teljesítménysűrűség növelése érdekében.
• A hosszú távú megbízható működés érdekében rendelkeznie kell érzékelésre, hibajelzésre és védelemre képes deszaturálási (DESAT) funkcióval.
• Egy V_DD feszültséggel, amely alatt az eszköz lekapcsol (UVLO) úgy, hogy közben teljesüljön a V_GS > 16 V feltétel a kapcsolás működésbe lépése előtt.
• V_EE UVLO felügyeleti képességgel annak biztosítására, hogy a negatív feszültség az elfogadható tartományon belül legyen.

Az ON Semiconductor egy olyan kapumeghajtót mutatott be, amelyet úgy terveztek, hogy megfeleljen ezeknek a követelményeknek a hajtásinvertereket tartalmazó áramkörökben. Az NCP51705MNTXG SiC MOSFET kapumeghajtók nagyfokúan integráltak, így nem csak a saját SiC MOSFET-jeikkel, hanem számos más gyártó ilyen eszközeivel is kompatibilisak. Az említett eszköz számos olyan alapfunkciót tartalmaz, amelyek az általános célú kapumeghajtókra jellemzőek, de rendelkezik a megbízható SiC MOSFET kapumeghajtó áramkörök tervezéséhez szükséges speciális követelményekkel is úgy, hogy közben csak minimális számú külső alkatrészekre legyen szükség.

Az NCP51705MNTXG például tartalmaz egy DESAT funkciót, amelynek megvalósításához elegendő mindössze két külső alkatrész. A DESAT az IGBT-k és MOSFET-ek esetében egyik mód az a túláramvédelmi hiba figyelésére, amikor a V_DS megemelkedhet maximális I_D esetén. Ez befolyásolhatja a hatásfokot, és legrosszabb esetben akár károsíthatja is a MOSFET-et. A 4. ábra azt mutatja, hogy az NCP51750MNTXG hogyan ellenőrzi a MOSFET (Q1) V_DS értékét a DESAT érintkezőn és az R1 és a D1 elemeken keresztül.

4. ábra: Az NCP51705MNTXG DESAT funkciója a maximális I_D időszakokban figyeli a V_DS rendellenes viselkedését, valamint túláram elleni védelmet biztosít. (Kép: ON Semiconductor)

Az NCP51705MNTXG kapumeghajtó rendelkezik programozható UVLO funkcióval is. Ez fontos funkció a SiC MOSFET-ek meghajtásakor, mivel a kapcsolóelem kimenetének mindaddig kikapcsolt állapotban kell maradnia, amíg a V_DD nem kerül egy ismert küszöbérték fölé. Ha a meghajtó számára alacsony V_DD mellett is engedélyezett a MOSFET kapcsolása, akkor az eszköz károsodhat. Az NCP51705MNTXG programozható UVLO funkciója nem csak a terhelést védi, hanem ellenőrzi a vezérlő számára, hogy az aktuális V_DD a bekapcsolási küszöbérték felett van. Az UVLO bekapcsolási küszöbértékét az UVSET és az SGND közötti egyetlen ellenállással állítjuk be (5. ábra).

5. ábra: Az NCP51705MNTXG SiC MOSFET-nél az UVLO bekapcsolási küszöbértéket az UVSET ellenállása, az R_UVSET határozza meg, amelyet a kívánt UVLO bekapcsolási feszültségnek (a V_ON-nak) megfelelően választanak ki. (Kép: ON Semiconductor)

A hajtásinverterek digitális leválasztása

Egy hajtásinvertert tartalmazó áramkör befejezéséhez a mérnöknek biztosítania kell, hogy a jármű elektronikájának kisfeszültségű oldala el legyen választva az inverteren áthaladó nagy feszültségektől és áramoktól (fenti 2. ábra). Mivel azonban a nagyfeszültségű kapumeghajtókat vezérlő mikroprocesszor a kisfeszültségű oldalon van, akármilyen elválasztást is alkalmazunk, annak lehetővé kell tennie a digitális jelek továbbítását a mikroprocesszortól a kapumeghajtókig. Az ON Semiconductor kínálatában van egy ilyen alkatrész erre a funkcióra, az NCID9211R2-t, amely egy nagy sebességű, kétcsatornás, kétirányú kerámia digitális leválasztó.

Az NCID9211R2 egy galvanikusan szigetelt, teljes duplex digitális leválasztó, amely lehetővé teszi a rendszerek közötti digitális jelátvitelt a földhurkok vagy a veszélyes feszültségek vezetése nélkül. Az eszköz névleges maximális átütési szilárdsága 2000 V_csúcs, további jellemzői a 100 kV/ms közös módusú feszültségelnyomás és a 50 Mbit/s-es adatátviteli sebesség.

A 6. ábrán látható szigetelő gátat chipen kívüli kerámiakondenzátorok alkotják.

6. ábra: Az NCID9211R2 digitális leválasztó egyetlen csatornáját szemléltető blokkvázlat. Chipen kívüli kondenzátorok alkotják a szigetelő gátat. (Kép: ON Semiconductor)

A digitális jelek ON-OFF (OOK) modulációval továbbítódnak a szigetelő gáton keresztül. Az adóoldal a V_IN bemeneti logikai jelet egy nagyfrekvenciás vivőjellel modulálja. Az így kapott jelet az eszköz felerősíti és továbbítja a szigetelő gátra. A vevőoldal érzékeli a gátról érkező jelet és azt adatvivő-detektálás módszerrel demodulálja (7. ábra). A V_O kimenet logikai állapota akkor adja meg a kimeneti jelet, amikor a kimenet engedélyezése (EN) magas állapotban van. A V_O alapértelmezés szerint magas impedanciás alacsony állapotba kerül, ha az adó tápellátása kikapcsol, vagy ha a V_IN bemenet le van kapcsolva.

7. ábra: Az NCID9211 digitális leválasztó OOK modulációt használ arra, hogy digitális információkat továbbítson a szigetelő gáton keresztüli. (Kép: ON Semiconductor)

Összegzés

SiC teljesítmény MOSFET-eket használni jó választás elektromos járművek nagy hatásfokú és nagy teljesítménysűrűségű hajtásinvertereiben, de elektromos jellemzőik miatt egyedi tervezési problémákat kell megoldani a kapumeghajtók és az eszköz védelme tekintetében. A tervezési problémák mellett a mérnököknek azt is biztosítaniuk kell, hogy a hajtásinverter áramköre magas átütési szilárdsággal el legyen szigetelve a jármű érzékeny kisfeszültségű elektronikájától.

Mint látható, a mérnöki fejlesztési munka megkönnyítése érdekében az ON Semiconductor SiC MOSFET-ek, speciális kapumeghajtók és digitális leválasztók széles választékát kínálja a hajtásinverter-tervezési igények kielégítésére, amelyekkel a modern elektromos járműveknél az azok hatótávolsága és teljesítményük közötti egyensúly javítható.