A nagy teljesítményű berendezések veszteségeinek csökkentése, hatásfokának javítása és üzemi hőmérséklet-tartományának kiterjesztése

Az energiaigényes berendezések tervezőinek kisebb, könnyebb és jobb hatásfokú áramátalakítókra van szükségük, amelyek magasabb feszültségen és hőmérsékleten is képesek működni. Ez különösen igaz az olyan gépek esetében, mint a villanyjárművek (EV, electric vehicle), ahol az ilyen fejlesztések gyorsabb töltést és nagyobb hatótávolságot eredményeznek. Ezeknek a fejlesztések az elérése érdekében a tervezők széles tiltott sávú (WBG), például szilícium-karbid (SiC) alapú technikára épülő áramátalakítókat használnak.

Ezek az eszközök a szilíciumhoz (Si) képest magasabb feszültségen működnek és kisebb tömegűek, ugyanakkor hasonló teljesítmények kezelésére képesek. Emellett magasabb hőmérsékleten is működnek, ami csökkenti a hűtőrendszerrel szemben támasztott igényeket. A SiC eszközök képesek magasabb kapcsolási frekvencián működni, ami lehetővé teszi a kisebb passzív alkatrészek használatát, ezzel pedig csökken az áramátalakító mérete és tömege. A SiC eszközök még mindig folyamatos fejlesztés alatt állnak, az újabb erőfeszítések eredményeképpen pedig még kisebb nyitóirányú ellenállás érhető el, ami tovább csökkenti az energiaveszteségeket.

Ez a cikk röviden ismerteti a SiC előnyeit a Si-mal szemben, a villanyjárműveket használva szemléltetőkörnyezetként. Ezután a tárgyalja SiC eszközök fejlesztési irányait, majd bemutatja a ROHM Semiconductor 4. generációs SiC MOSFET-jeit, valamint azt, hogy ezek hogyan segítenek a tervezőknek a teljesítményveszteségek, a költségek és a helyigény csökkentésében.

Miért érdemes SiC-ot használni?

A villanyjárműveknek a nagyobb hatótávolság eléréséhez nagyobb akkumulátorkapacitásra van szükségük. Ezzel a tendenciával együtt az akkumulátorok feszültségét 800 V-ra növelik a töltési idő csökkentése érdekében. Emiatt a villanyjárművek tervezőinek olyan eszközökre van szükségük, amelyek elviselik ezeket a nagyobb feszültségeket, ugyanakkor csökkentik a villamos veszteségeket és a tömeget. A ROHM Semiconductor 4. generációs SiC MOSFET-jei a nagyobb feszültségtűrés, a kisebb vezetési és kapcsolási veszteségek és a kisebb méretek révén kisebb veszteségeket tesznek lehetővé.

A SiC egy széles tiltott sávú félvezető, amely a Si MOSFET technikához képest kivételesen jó hatásfokot kínál a nagyfeszültségű és nagy teljesítményű kapcsolóüzemű áramátalakítókban. A SiC és a Si fizikai tulajdonságainak összehasonlítása öt fizikai jellemző alapján mutatja meg ennek a javulásnak a forrását: az átütési villamoserőtér-feszültség (breakdown electric field), a tiltott sáv (bandgap), a hővezető képesség (thermal conductivity), az olvadáspont (melting point) és a telített elektronsodródási sebesség (saturated electron drift velocity) (1. ábra).

1. ábra: A SiC MOSFET-ek előnyei a Si MOSFET-ekkel szemben öt fizikai jellemző alapján (ábra: ROHM Semiconductor)

A SiC átütési villamoserőtér-feszültsége tízszer akkora, mint a Si-é, ami lehetővé teszi, hogy az eszköz vastagságának csökkentése mellett is nagyobb átütési villamoserőtér-feszültségű eszközöket tervezzenek. A SiC szélesebb tiltott sávja lehetővé teszi, hogy az eszközök sokkal magasabb hőmérsékleten működhessenek. A jobb hővezető képesség csökkenti az eszköz hűtéséhez szükséges energiafelhasználást, míg a magasabb olvadáspont növeli az üzemi hőmérséklet-tartományt. Végül a SiC nagyobb telített elektronsodródási sebessége nagyobb lehetséges kapcsolási frekvenciákat és kisebb kapcsolási veszteségeket tesz lehetővé. Ezek a nagyobb kapcsolási frekvenciák kisebb szűrőket és egyéb passzív alkatrészeket igényelnek, ami tovább csökkenti a méreteket és a tömeget.

MOSFET-fejlesztés

Az eredeti SiC MOSFET-ek síkbeli (idegen szóval planáris) elrendezést használtak, ahol az eszköz kapuja és csatornája a félvezető felületén volt kialakítva. A síkbeli eszközök alkatrészsűrűsége korlátozott, mivel az eszközök méretét csak korlátozott mértékben lehet csökkenteni az eszköz jóságának (a félvezetőszeleten helyesen működő eszközök arányának) növelése érdekében. Az egy- és kétárkos MOSFET-ek használata nagyobb eszközsűrűség elérését teszi lehetővé (2. ábra).

2. ábra: Árkos MOSFET-ek használatával az eszközelemek függőleges elrendezése révén nagyobb eszközsűrűség érhető el (kép: ROHM Semiconductor)

A többi MOSFET-hez hasonlóan az árkos MOSFET-cella is tartalmaz nyelőt, kaput és forrást, de azok függőlegesen egymás fölött helyezkednek el. A csatorna függőlegesen, a kapuárokkal párhuzamosan alakul ki a térvezérlés révén. Ennek eredményeképpen az áram függőlegesen folyik a forrástól a nyelő felé. A vízszintes elrendezésű és nagy területet elfoglaló síkbeli elrendezésű MOSFET-ekkel összehasonlítva ez a felépítés nagyon kis méretű.

Az egyárkos felépítés egy kapuárkot használ. A kétárkos eszköznek van egy kapu- és egy forrásárka is. A ROHM Semiconductor a 3. generációs SiC MOSFET-jei esetében áttért a kétcsatornás felépítésre. A 4. generációs eszközökben a cellaméret csökkentésével fejlesztették tovább a kétárkos kialakítást, tovább csökkentve ezzel a nyitóirányú ellenállást és a parazitakapacitást, ami sokkal kisebb teljesítményveszteséget eredményezett, és lehetőséget adott a kisebb SiC eszközök használatára, elősegítve a a költségtakarékosabb rendszertervezést.

A MOSFET nyitóirányú ellenállásának csökkentése veszélyeztetheti az eszköz rövidzárlatok kezelésére való képességét. A 4. generációs SiC MOSFET-ek azonban kisebb nyitóirányú ellenállást érnek el a rövidzárlat-elviselési idő feláldozása nélkül, így ezek az eszközök jelentős előnyre tesznek szert azzal, hogy a jó hatásfok mellett kiváló a rövidzárlatálló képességük is.

A veszteségek megértése

A kapcsolóüzemű áramátalakítók veszteségei több forrásból származnak. Az aktív eszközökhöz kapcsolódó veszteségek közé tartoznak a vezetési és kapcsolási veszteségek, valamint a belső testdióda miatti veszteségek (3. ábra).

3. ábra: Az ábrán egy feszültségcsökkentő egyenáram-átalakító kapcsolási rajza látható a kapcsolási hullámformákkal és a kapcsolódó veszteségi hullámformákkal együtt (ábra: ROHM Semiconductor)

A feszültségcsökkentő áramátalakító totemoszlop-kapcsolást használ egy magasoldali (S_H) és egy alacsonyoldali (S_L) MOSFET-kapcsolóval. A kapcsolók fázison túlra vannak hajtva, hogy egyszerre csak az egyik legyen nyitva (vezessen). A kapu vezérlési hullámformáin (V_GSH és V_GSL) jól láthatóak az eszköz parazitakapacitásainak töltési időtartamából adódó amplitúdóugrások. Mindkét eszköz esetében látható a nyelő–forrás feszültség (V_DSH, V_DSL) és a nyelőáram (I_DH, I_DL) hullámformája. Amikor az eszköz nyitva van, a V_DS (nyelő–forrás) feszültség kicsi. Amikor az eszköz zárva van, a V_DS feszültség nagy. Amikor az S_H (felső MOSFET) nyitva van, a nyelőáram lineárisan nő, miközben létrehozza (tölti) az induktor (tekercs) mágneses mezejét. Ez idő alatt a csatorna ellenállásán átfolyó áram feszültséget gerjeszt a csatorna két végpontja között, ami az áramerősség négyzetének és a csatorna ellenállásának szorzatával arányos vezetési veszteséget (P_COND) okoz. Azon időtartamok alatt, amikor az eszköz állapotot vált, a feszültség és az áramerősség sem nulla, és az eszközben a feszültséggel, az áramerősséggel, a kapcsolási átmenet idejével és a kapcsolási frekvenciával arányos veszteségi teljesítmény keletkezik. Ezek a kapcsolási veszteségek.

Hasonló helyzet áll elő, amikor az S_L (alsó MOSFET) van nyitva. Itt az áram lineárisan csökken, mivel az induktorban (tekercsben) tárolt energia szolgáltatja az alsó eszköz nyelőáramát. A csatorna ellenállásán ismét vezetési veszteségként megjelenő teljesítményt keletkezik. Vegyük észre, hogy amíg az alsó eszközben az áramerősség nullára nem csökken, a V_DSL feszültség közel nulla értékű, így a ciklusnak ehhez a részéhez nem tartoznak kapcsolási veszteségek.

A záróirányú áram miatti veszteséget (P_Qrr) az eszközök belső testdiódájának lezárása okozza. Ezt az egyszerűség kedvéért csak a magasoldalon mutatjuk be.

A P_body az eszközök belső testdiódájának vezetési vesztesége. Ezt a veszteséget az alacsonyoldali eszköz belső testdiódáján keresztül folyó áram okozza.

A teljes teljesítményveszteség a két tranzisztor esetében ezeknek az összetevőknek az összege.

A 4. generációs SiC MOSFET-ek nagyobb teljesítménye

A Si IGBT-k, valamint a 3. és 4. generációs SiC MOSFET-ek teljesítményét egy 5 kW-os teljes hidas inverter segítségével hasonlítottuk össze (4. ábra). Ebben a teljes híd áramkörben a nagyobb áramerősség érdekében két-két kapcsolóeszköz párhuzamosan van kapcsolva. A teljes híd összesen nyolc félvezető eszközt tartalmaz. A bal oldali képen az látható, hogy a nyolc eszköz egy hűtőbordára van szerelve. Az áramkör hatásfokát az eredeti IGBT-ket, valamint 3. és 4. generációs MOSFET-eket használva értékelték. Az inverter SiC MOSFET-ekkel 40 kHz, IGBT-kkel 20 kHz kapcsolási frekvencián működik.

4. ábra: A képen egy 5 kW-os ventilátor nélküli inverter és annak kapcsolási rajza látható. Az eredetileg 20 kHz-en működő szilícium IGBT-kkel tervezett áramkört 3. és 4. generációs SiC MOSFET-ekkel 40 kHz-en működtették. A teszt végén összehasonlították a három félvezetőtípus teljesítményveszteségét (ábra: ROHM Semiconductor)

A 3. generációs eszközök a ROHM Semiconductor SCT3030AL jelű, 650 V névleges feszültségű és 30 mΩ csatorna-ellenállású vagy más néven nyitóirányú ellenállású (R_DS(ON)) MOSFET-jei voltak. 4. generációs eszközökként a ROHM Semiconductor SCT4026DEC11 jelű MOSFET-jeit használták. A 4. generációs eszközök névleges feszültsége 750 V-ra nőtt. Az eszköz nyitóirányú ellenállása (R_DS(ON)) 26 mΩ, ez 13%-os csökkenést jelent, ami csak kismértékben csökkentette a vezetési veszteségeket.

A két SiC MOSFET veszteségének az eredeti IGBT veszteségével való összehasonlításán jól látható a hatásfok javulása (5. ábra).

5. ábra: A 4. generációs SiC MOSFET-ek jelentősen csökkentették a veszteségeket az eredeti Si IGBT-khez és a 3. generációs SiC MOSFET-ekhez képest (ábra: ROHM Semiconductor)

A 4. generációs eszköz a 3. generációs eszközzel összehasonlítva 10,7 W-ról 9,82 W-ra csökkentette a vezetési veszteségeket (világoskék). Jelentősebb csökkenést értek el a kapcsolási veszteségeknél (narancssárga), 16,6 W-ról 8,22 W-ra.

A 4. generációs eszközök további fejlesztései közé tartozik a jobb kapuvezérlési képesség. A 4. generációs SiC MOSFET-ek 15 V-os vezérlést tesznek lehetővé, míg a 3. generációs eszközök 18 V-ot igényelnek. Ez azt jelenti, hogy a Si-eszközökkel tervezett áramkörökben a Si-eszközök helyettesíthetők 4. generációs MOSFET-ekkel. Ezenkívül a 4. generációs SiC MOSFET-ek esetében az eszköz zárt állapotában ajánlott vezérlőfeszültség 0 V. A 4. generációs termékek előtt a kapu–forrás feszültség esetében az eszköz zárt állapotában negatív előfeszítésre volt szükség, hogy megakadályozzuk az önnyitást. A 4. generációs eszközök esetében azonban a küszöbfeszültséget (Vth) magas értékűre tervezték, hogy megakadályozza az önnyitást, így nincs szükség negatív előfeszítés használatára.

4. generációs megoldások

A ROHM Semiconductor 4. generációs SiC MOSFET-jei két csoportra oszthatók az eszközök tokozása alapján. A korábban már említett SCT4026DEC11 egy 750 V-os, 56 A (+25 °C-on)/29 A (+100 °C-on) névleges áramerősségű, 26 mΩ nyitóirányú ellenállású SiC MOSFET háromlábú TO-247N tokban. A másik fajta, négylábú tokra jó példa az SCT4013DRC15, egy 750 V-os, 105 A (+25 °C-on)/74 A (+100 °C-on) névleges áramerősségű, 13 mΩ nyitóirányú ellenállású SiC MOSFET négylábú TO-247-4L tokban.

A négylábú tok egy további lábbal van ellátva, ami növeli a MOSFET kapcsolási sebességét. A hagyományos TO-247N háromlábú tok nem különíti el a kapuvezérlést az eszköz forrása és a forrás (S) láb között a nagy nyelőáram miatt fellépő parazitainduktivitásról. A kapufeszültséget a kapu (G) és a forrás (S) láb közé kell kapcsolni. Az eszközön a forrás (S) láb parazitainduktivitásán keresztül keletkező feszültségesés (V_L) miatt csökken a hatásos kapufeszültség, ami a kapcsolási sebesség csökkenését okozza (6. ábra).

6. ábra: A TO-247-4L negyedik lába egy Kelvin-kapcsolásba kötött további csatlakozólábként elkülöníti egymástól a kapuvezérlő (G) lábat és a nagyáramú forrás (S) lábat (ábra: ROHM Semiconductor)

A négylábú TO-247-4L tokban a kapuvezérlő (G) láb és a nagyáramú forrás (S) láb el van különítve, és a kapuvezérlés belül közvetlenül a forrásra van kötve. Ez minimálisra csökkenti a forrás (S) láb parazitainduktivitásának hatását. Az, hogy a kapuvezérlés belül közvetlenül a forrásra van kötve, lehetővé teszi a SiC MOSFET-ek kapcsolási sebességének a lehető legnagyobbra növelését, akár 35%-kal csökkentve a teljes kapcsolási veszteséget (nyitás és zárás) a hagyományos háromlábú TO-247N tokhoz képest.

A 4. generációs SiC MOSFET-ek másik megkülönböztető jellemzője a névleges feszültség. Ezek az eszközök 750 V, illetve 1200 V névleges feszültséggel kaphatóak. Az eddig tárgyalt két eszköz névleges feszültsége 750 V volt. A nagyobb feszültségű berendezésekhez készült SCT4062KEC11 egy 1200 V-os, 62 mΩ nyitóirányú ellenállású, 26 A (+25 °C)/18 A (+100 °C) névleges áramerősségű n csatornás SiC MOSFET háromlábú TO-247N tokban, míg az SCT4036KRC15 egy 1200 V-os, 36 mΩ nyitóirányú ellenállású, 43 A (+25 °C)/30 A (+100 °C) névleges áramerősségű n csatornás SiC MOSFET négylábú TO-247-4L tokban. Jelenleg összesen tízfajta 4. generációs SiC MOSFET kapható, +25 °C-on 26 A és 105 A közötti névleges áramerősséggel. R_DS(ON) nyitóirányú ellenállásuk 13 mΩ és 62 mΩ között mozog.

A 4. generációs SiC MOSFET-ek felhasználási területei a villanyjárművekben

A 4. generációs SiC MOSFET-ek jellemzői jól illeszkednek a villanyjárművek igényeihez. Kiváló példákat szolgáltatnak erre a 400 V vagy 800 V feszültségű akkumulátoros villanyjárművek (BEV, battery electric vehicle) (7. ábra).

7. ábra: A 4. generációs SiC MOSFET-ek jellegzetes felhasználási területei az akkumulátoros villanyjárművekben és a kapcsolódó külső tartozékokban (ábra: ROHM Semiconductor)

A 7. ábrán egy 400 V vagy 800 V akkumulátorfeszültségű, a kétirányú és a gyorstöltést egyaránt támogató akkumulátoros villanyjármű blokkvázlata látható. A fedélzeti töltő (OBC, onboard charger) totemoszlop-kapcsolású teljesítménytényező-javító (PFC, power factor correction) áramköröket és egy kétirányú, teljes hidas CLLC (kondenzátor, tekercs, tekercs, kondenzátor) rezonanciás áramátalakító tartalmaz. A külső „Quiq charge” egyenáramú gyorstöltő közvetlenül tölti az akkumulátort. Az akkumulátor látja el árammal a vontatóinvertert, amely az egyenáramot háromfázisú váltakozó árammá alakítja a motor meghajtásához. A szükséges teljesítményszintek kezeléséhez mindezek az áramkörök MOSFET-eket használnak különböző kapcsolásokban. A 4. generációs SiC MOSFET-ek azért fontosak, mert csökkentik az áramkörök fizikai méretét és növelik a névleges feszültséget, miközben csökkentik a veszteségeket és a költségeket.

Összegzés

A nagyfeszültségű, nagy teljesítményű alkalmazások tervezői számára – beleértve a villanyjárműveket, az adatközpontokat és a bázisállomásokat – a 4. generációs SiC MOSFET-ek kulcsfontosságú nagy teljesítményű kapcsolóeszközök. Mint látható, egyedi a szerkezeti felépítésük, amely a veszteségek csökkentése révén jelentősen javítja az áramátalakítás hatásfokát, miközben csökkenti a helyigényt és a költségeket.

Ajánlott olvasnivaló

1. Effective Implementation of SiC Power Devices for Longer-Range Electric Vehicles (SiC teljesítményelektronikai alkatrészek hatékony felhasználása a villanyjárművek hatótávolságának növeléséhez)
2. How to Correctly Apply the Right Power Devices to Meet Industrial Power Supply Requirements (A megfelelő tápegységek helyes használata az ipari áramellátási igények kielégítéséhez)