Az energetikai infrastruktúra hatékonyabbá és megbízhatóbbá tétele a költségek csökkentése mellett

Az energetikai infrastruktúrák tervezőinek – a villanyjárművek (EV) töltőállomásaitól és a napelem-inverterektől kezdve az energiatároláson át a szünetmentes áramellátó rendszerekig – folyamatos kihívást jelent a szén-dioxid-kibocsátás csökkentése, a megbízhatóság javítása és a költségek csökkentése.

E célok elérése érdekében alaposan meg kell vizsgálniuk, hogyan optimalizálhatják teljesítményátalakító megoldásaikat úgy, hogy csökkenjenek a vezetési és kapcsolási veszteségek, valamint a méretek és az elektromágneses zavarás (EMI) mértéke, de megmaradjon a jó hőleadási teljesítmény. Azt is biztosítaniuk kell, hogy a választott megoldás megfeleljen a gyártási alkatrész-jóváhagyási folyamatnak (PPAP), és rendelkezzen AEC-Q101 szerinti minősítéssel.

Ezeknek a feladatoknak a megoldására a tervezők a szilícium-karbid (SiC) alapú teljesítmény-MOSFET-ek, Schottky-diódák, kapuvezérlő integrált áramkörök (IC-k) és teljesítménymodulok bőséges kínálatából válogathatnak.

Ez a cikk röviden áttekinti, hogy a SiC technika hogyan növelheti a hatékonyságot és a megbízhatóságot és hogyan csökkentheti a költségeket a hagyományos szilíciumos (Si) megoldásokhoz képest. Ezután megvizsgálja a SiC tokozási és rendszerintegrációs lehetőségeit, majd bemutat néhány valós példát az onsemi termékválasztékából, és elmagyarázza, hogy a tervezők hogyan tudják ezeket a legjobban felhasználni a SiC teljesítmény-MOSFET-ek és kapuvezérlők teljesítményének optimalizálására avégett, hogy megfeleljenek az energetikai infrastruktúra kihívásainak.

SiC kontra Si

A SiC egy nagy tiltott sávú (WBG – wide bandgap) anyag, amelynek tiltott sávja 3,26 eV (elektronvolt), szemben a Si 1,12 eV-os tiltott sávjával. Emellett 10-szer nagyobb átütési szilárdságot és több mint 3-szor nagyobb hővezető képességet kínál, és a szilíciumhoz képest sokkal magasabb hőmérsékleten is képes működni. Ezek a jellemzők alkalmassá teszik a SiC-t az energetikai infrastruktúra területén való felhasználásra (1. táblázat).

1. táblázat: A 4H-SiC anyagnak a tiszta Si-hoz viszonyított tulajdonságai miatt a SiC kiválóan használható az energetikai infrastruktúrákban (kép: onsemi)

A nagyobb átütési szilárdság lehetővé teszi, hogy a vastagabb Si eszközök helyett vékonyabb SiC eszközök használjanak ugyanolyan feszültséggel, miközben a vékonyabb SiC-elemeknek ennek megfelelően kisebb a nyitóirányú ellenállásuk, és erősebb áram vezetésére képesek. A SiC mozgékonysági paraméterei a Si-éval azonos nagyságrendűek, így mindkét anyag használható a nagyfrekvenciás áramátalakítókban, ami lehetővé teszi kisméretű termékek tervezését. A SiC nagyobb hővezető képessége azt jelenti, hogy az ebből készült eszközök erősebb áramok mellett is kisebb hőmérséklet-emelkedést produkálnak. A SiC eszközök üzemi hőmérsékletét a tokozás velejárói, például a vezetékbekötések korlátozzák, nem a SiC anyagjellemzői. Ennek eredményeképpen a SiC használata esetén a tervezők számára fontos szempont az optimális tokozási megoldás kiválasztása.

A SiC az anyagjellemzői miatt kiváló választás számos nagyfeszültségű, nagy sebességű, nagyáramú és nagy fajlagos teljesítményű teljesítményátalakító berendezés megvalósításához. Sok esetben nem az a kérdés, hogy használjunk-e SiC-t, hanem az, hogy milyen SiC-tokozási megoldás biztosítja a legjobb kompromisszumot a teljesítmény és költségek között.

A tervezők a nagy teljesítményű SiC technika használata esetén három alapvető tokozási módszer közül választhatnak: a diszkrét eszközök, az intelligens teljesítménymodulok (IPM) és az integrált áramkörös teljesítménymodulok (PIM) közül. Ezek mindegyike egyedi kompromisszumokat kínál a költségek és a teljesítmény között (2. táblázat). Például:

• A diszkrét eszközöket általában akkor részesítik előnyben, ha a költség az elsődleges szempont, például fogyasztói készülékek esetén. Emellett a diszkrét eszközök támogatják a több beszállítós alkatrészellátást, és hosszú az élettartamuk.
• Az intelligens teljesítménymodulok (IPM) csökkentik a tervezési időt, valamint a legnagyobb megbízhatóságot és a legkisebb méreteket kínálják mérsékelt teljesítményszintekhez.
• Az integrált áramkörös teljesítménymodulok (PIM) az intelligens teljesítménymodulokhoz képest nagyobb teljesítményt tesznek lehetővé jó teljesítménysűrűséggel, és viszonylag gyors piacra kerülési időt, valamint a tervezési lehetőségek széles skáláját és több beszállítós alkatrészellátást kínálnak.

2. táblázat: Az integrálhatóság és a kompromisszumok összehasonlítása a diszkrét, az IPM és a PIM SiC-tokozási megoldások közötti választáshoz (kép: onsemi)

Hibrid Si–SiC intelligens teljesítménymodulok

Bár lehet készülékeket fejleszteni kizárólag SiC eszközökkel is, néha gazdaságosabb a hibrid Si–SiC-konstrukciók használata. Az onsemi NFL25065L4BT hibrid intelligens teljesítménymodul (IPM) például negyedik generációs Si IGBT tranzisztorokat kombinál egy SiC buszterdiódával a kimeneten, hogy egy átlapolt teljesítménytényező-javító (PFC) bemeneti fokozatot alkosson fogyasztói, ipari és orvosi készülékekhez (1. ábra). Ez a kisméretű intelligens teljesítménymodul egy optimalizált kapuvezérlőt használ az IGBT-khez az elektromágneses zavarás és a veszteségek minimálisra csökkentése érdekében. A beépített védelmi funkciók közé tartozik a feszültségesés miatti reteszelés, a túláram miatti leállítás, a hőfigyelés és a hibajelentés. Az NFL25065L4BT további jellemzői:

• 600 V/50 A kétfázisú átlapolt PFC
• 20 kHz-es kapcsolási frekvenciára optimalizálva
• Kis hőellenállás alumínium-oxidos közvetlen kötésű vörösréz (DBC) hordozóanyag használata révén
• Integrált negatív hőmérsékleti együtthatójú (NTC) termisztor a hőmérséklet-figyeléshez
• 2500 Vrms/1 perc névleges szigetelési érték
• UL tanúsítás

1. ábra: Az NFL25065L4BT intelligens teljesítménymodul negyedik generációs Si IGBT-kből kialakított átlapolt PFC fokozatot alkot, SiC buszterdiódával a kimenetén (kép: onsemi)

SiC integrált áramkörös teljesítménymodulok

Napelem-inverterek, villanyjármű-töltőállomások és más hasonló készülékek tervezésekor, amelyeknél a teljesítményleadás kisebb alapterület és kisebb teljes térfogat melletti maximalizálása érdekében előnyös lehet egy SiC alapú integrált áramkörös teljesítménymodul használata, a tervezők választhatják az NXH006P120MNF2PTG jelű terméket. Ez az eszköz egy 6 mΩ-os, 1200 V-os SiC MOSFET félhídból és egy integrált NTC termisztorból áll, F2 tokozásban (2. ábra). Választható tokozási lehetőségek:

• Előre felhordott hőszigetelő anyaggal (TIM) vagy anélkül
• Forrasztható vagy besajtolható lábakkal

2. ábra: Az NXH006P120MNF2PTG integrált áramkörös tápegység F2-es tokban, besajtolható lábakkal (kép: onsemi)

Ezeknek az intelligens teljesítménymoduloknak a legnagyobb üzemi hőmérséklete 175 °C, és külső szabályozást és kapuvezérlőket igényelnek. A választható besajtolható lábas technika – más néven hideghegesztés – megbízható kapcsolatot biztosít a lábak és a nyomtatott áramköri lapon lévő átmenő furatok között. A besajtolásos illesztés egyszerűsített, forrasztás nélküli összeszerelést tesz lehetővé, és hermetikus, kis ellenállású fém–fém kapcsolatot hoz létre.

SiC Schottky-diódák

A SiC Schottky-diódák használhatók intelligens teljesítménymodulokkal kombinálva és 100%-ban diszkrét kivitelben is, és a Si-diódákhoz képest jobb kapcsolási teljesítményt és nagyobb megbízhatóságot nyújtanak. A SiC Schottky-diódáknak, amilyen például az 1700 V/25 A névleges értékű NDSH25170A, nincs záróirányú áramuk, kiváló a hűtési teljesítményük, és hőmérséklet-függetlenek a kapcsolási jellemzőik. Ezek jobb hatásfokot, magasabb kapcsolási frekvenciákat, nagyobb fajlagos teljesítményt, kisebb elektromágneses zavarást és egyszerű párhuzamosítást eredményeznek, amelyek mind hozzájárulnak az eszközök méretének és költségének csökkentéséhez (3. ábra). Az NDSH25170A jellemzői:

• 175 °C legnagyobb pn-átmenet-hőmérséklet
• 506 mJ átütési (lavinaletörési) energia
• Nem ismétlődő túláram tűrése 220 A-ig és ismétlődő túláramoké 66 A-ig
• Pozitív hőmérsékleti együttható
• Nincs záróirányú áram és nincs nyitóirányú felfutás
• AEC-Q101 minősítés és PPAP-képesség

3. ábra: Az 1700 V/25 A névleges értékű onsemi NDSH25170A SiC Schottky-diódának nincs záróirányú árama, kiváló a hűtési teljesítménye, és hőmérséklet-függetlenek a kapcsolási jellemzői (kép: onsemi)

Diszkrét SiC MOSFET-ek

A tervezők kombinálhatják a diszkrét SiC Schottky-diódákat az onsemi 1200 V-os SiC MOSFET-jeivel, amelyeknek szintén kiváló a kapcsolási teljesítményük, kisebb a nyitóirányú ellenállásuk és nagyobb a megbízhatóságuk, mint a Si-eszközöknek. A SiC MOSFET-ek kis lapkamérete kis kapacitást és kis kaputöltést eredményez. A kisebb nyitóirányú ellenállással kombinálva a kisebb kapacitás és kisebb kaputöltés javítja a rendszer hatásfokát, magasabb kapcsolási frekvenciákat tesz lehetővé, növeli a fajlagos teljesítményt, csökkenti az elektromágneses zavarokat (EMI), és lehetővé teszi kisebb méretű eszközök létrehozását. Az NTBG040N120SC1 például 1200 V-ra és 60 A-ra van méretezve, és D2PAK-7L felületszerelhető tokban kerül forgalomba (4. ábra). Főbb jellemzői:

• 106 nC jellegzetes kaputöltés
• 139 pF jellegzetes kimeneti kapacitás
• 100%-os átütési (lavinaletörési) hitelesítés
• 175 °C pn-átmenet-hőmérsékleten való működés
• AEC-Q101 minősítés

4. ábra: Az NTBG040N120SC1 SiC MOSFET 1200 V/60 A értékre van méretezve, 40 mΩ a nyitóirányú ellenállása, és D2PAK-7L felületszerelhető tokban kerül forgalomba (kép: onsemi)

Kapuvezérlők SiC MOSFET-ekhez

A SiC MOSFET-ek kapuvezérlői, amilyen például az onsemi NCx51705 termékcsaládja, magasabb vezérlőfeszültséget kínálnak, mint a Si MOSFET-ek kapuvezérlői. Egy SiC MOSFET teljes kinyitásához 18–20 V kapufeszültségre van szükség, míg egy Si MOSFET kinyitásához kevesebb mint 10 V elegendő. Ezenkívül a SiC MOSFET-ek –3 V – –5 V kapuvezérlést is igényelnek az eszköz zárásához. A tervezők használhatják az NCP51705MNTXG alacsonyoldali, egyetlen 6 A-es, nagy sebességű, SiC MOSFET-ekhez optimalizált kapuvezérlőt (5. ábra). Az NCP51705MNTXG a legnagyobb névleges vezérlőfeszültséget kínálja a kis vezetési veszteségek elérése végett, a nyitás és zárás során pedig nagy csúcsáramokat ad le a kapcsolási veszteségek minimálisra csökkentése érdekében.

5. ábra: Két félhídba kötött SiC MOSFET-et (jobbra) vezérlő két onsemi NCP51705MNTXG kapuvezérlő integrált áramkör (IC) (jobbra középen) egyszerűsített kapcsolási rajza (kép: onsemi)

A tervezők a lapkára integrált töltésszivattyúval a felhasználó által választható negatív feszültségű feszültségsínt hozhatnak létre, amivel nagyobb megbízhatóságot, jobb dV/dt-immunitást és gyorsabb zárást kínálhatnak. Leválasztott kialakításokban egy kívülről hozzáférhető 5 V-os sín táplálhatja egy digitális vagy nagy sebességű optocsatoló szekunder oldalát. Az NCP51705MNTXG védelmi funkciói közé tartozik a vezérlőáramkör pn-átmenetének hőmérsékletén alapuló hőkikapcsolás és az előfeszítő feszültség feszültségcsökkenése miatti reteszelés figyelése.

Fejlesztőkártya és a SiC kapukhoz való kapuvezérlők tervezési szempontjai

Az értékelési és tervezési folyamat felgyorsítása érdekében a tervezők az NCP51705 kapuvezérlőhöz használhatják az NCP51705SMDGEVB fejlesztőkártyát (EVB) (6. ábra). A fejlesztőkártya tartalmaz egy NCP51705 kapuvezérlőt és az összes szükséges vezérlőáramkört, beleértve a kártyán elhelyezett digitális leválasztót és bármely TO-247-es tokozású SiC vagy Si MOSFET kártyára forrasztásának lehetőségét. A fejlesztőkártya bármilyen alacsony- vagy magasoldali nagy teljesítményű kapcsolóeszközhöz használható. Két vagy több ilyen fejlesztőkártya összeállítható egy totemoszlop-kapcsolású vezérlőegységgé.

6. ábra: Az NCP51705SMDGEVB fejlesztőkártya el van látva a SiC vagy Si teljesítmény-MOSFET csatlakoztatására szolgáló furatokkal (balra fent), és tartalmazza az NCP51705 kapuvezérlőt (U1, balra középen) és a digitális leválasztó IC-t (jobbra középen) (kép: onsemi)

Az NCP51705 kapumeghajtó SiC MOSFET-tel való használatakor fontos, hogy minimálisra csökkentsük a nyomtatott áramköri lap parazitainduktivitását és parazitakapacitását (7. ábra). A nyomtatott áramköri lapok elrendezésével kapcsolatos néhány szempont:

• Az NCP51705 kapuvezérlőnek a lehető legközelebb kell lennie a SiC MOSFET-hez, különös figyelmet fordítva arra, hogy rövidek legyenek a VDD, az SVDD és a V5V láb, a töltésszivattyú és VEE kondenzátor, valamint a MOSFET közötti vezetőcsíkok.
• A VEE és PGND láb közötti vezetőcsíknak a lehető legrövidebbnek kell lennie.
• A nagy dV/dt értékű vezetőcsíkok,valamint a kapuvezérlő bemenete és a DESAT láb között elkülönítésre van szükség a zajátcsatolásból eredő rendellenes működés elkerülése érdekében.
• Magas hőmérsékletre tervezett eszközöknél a hőimpedancia minimálisra csökkentése érdekében hőelvezető furatokat kell kialakítani a hőnek kitett felület és a külső réteg között.
• Az OUTSRC, az OUTSNK és a VEE lábnál széles vezetőcsíkot kell használni.

7. ábra: Az NCP51705 nyomtatott áramköri lapjának ajánlott elrendezése a parazitainduktivitás és parazitakapacitás minimálisra csökkentése érdekében, ami elengedhetetlen a SiC MOSFET-ek vezérléséhez (kép: onsemi)

Összegzés

A SiC (szilícium-karbon) nagy segítséget jelent a tervezők számára, hogy meg tudjanak felelni az energetikai infrastruktúra egyre növekvő számú és változatos felhasználási területei által támasztott követelményeknek. A tervezők ma már SiC eszközöket is használhatnak arra, hogy jobb hatásfokú nagyfeszültségű, nagy sebességű, nagyáramú teljesítményátalakító készülékeket tervezzenek, amelyek kisebb méretben kínálnak nagyobb fajlagos teljesítményt. Az optimális tokozás kiválasztása azonban fontos ahhoz, hogy a SiC eszközök használatával tervezett készülékekből a lehető legtöbbet lehessen kihozni.

Mint látható, a diszkrét eszközök, az intelligens teljesítménymodulok (IPM-ek) és az integrált áramkörös teljesítménymodulok (PIM-ek) közötti választásnál számos kompromisszumot kell figyelembe venni a teljesítmény, a piacra kerülési idő és a költségek terén. Diszkrét eszközök és integrált áramkörös teljesítménymodulok használata esetén a SiC kapuhoz való kapuvezérlő kiválasztása és az optimális nyomtatott áramköri elrendezés is kritikus fontosságú a megbízható és magas szintű rendszerteljesítmény eléréséhez.

Ajánlott olvasnivaló

1. How to Design in SiC MOSFETs to Improve EV Traction Inverter Efficiency (SiC MOSFET-ek használata a villanyjárművekben használt hajtóinverterek hatásfokának növelésére)
2. How to Ensure Safe and Efficient Modular BESS Deployments Using Pluggable Battery Pole Connectors (Modulrendszerű akkumulátoros energiatároló rendszerek biztonságos és hatékony kiépítése bedugható akkumulátor-póluscsatlakozók használatával)