Sådan designes SiC MOSFET'er for at forbedre effektiviteten af EV-traktionsinvertere

Ingeniører står over for en afvejning mellem ydeevne og rækkevidde i moderne elektriske køretøjer (EV'er). Hurtigere acceleration og højere hastigheder kræver hyppigere og mere tidskrævende genopladningsstop. Alternativt kan en længere rækkevidde være forbundet med en mere rolig fremgang. For at øge rækkevidden og samtidig tilbyde førerne højere ydeevne skal ingeniørerne designe drivlinjer, der sikrer, at så meget batterienergi som muligt overføres til de drevne hjul. Lige så vigtigt er behovet for at holde drivlinjerne små nok til at passe ind i køretøjets begrænsninger. Disse to krav kræver både højeffektivitet og høj energitæthed af komponenter.

Den vigtigste komponent i transmissionen i et EV-køretøj er den trefasede spændingsinverter (eller "traktionsinverter"), som konverterer batteriernes DC-spænding til den AC-strøm, der er nødvendig for køretøjets elmotor(er). Det er afgørende at opbygge en effektiv traktionsinverter for at mindske afvejningen mellem ydeevne og rækkevidde, og en af de vigtigste måder at forbedre effektiviteten på er korrekt brug af siliciumcarbid (SiC)-halvlederkomponenter med bredt båndgab (WBG).

I denne artikel beskrives EV-traktionsinverterens rolle. Derefter forklares det, hvordan udformningen af enheden med SiC power MOSFET'er kan give en mere effektiv transmission i EV-køretøjer end en enhed, der anvender IGBT'er. Artiklen afsluttes med et eksempel på en SiC MOSFET-baseret traktionsinverter og designtips om, hvordan man kan maksimere enhedens effektivitet.

Hvad er en traktionsinverter?

En EV's traktionsinverter konverterer den DC-strøm, der leveres af køretøjets højspændingsbatterier (HV-batterier), til den vekselstrøm, som elmotoren har brug for til at producere det drejningsmoment, der er nødvendigt for at flytte køretøjet. Traktionsinverterens elektriske ydeevne har en betydelig indvirkning på køretøjets acceleration og rækkevidde.

Moderne traktionsinvertere drives af HV-batterisystemer på 400 volt eller for nylig 800 volt-designs. Med traktionsinverterstrømme på 300 ampere (A) eller derover kan en enhed, der drives af et 800-volt batterisystem, levere over 200 kilowatt (kW) effekt. I takt med at effekten er steget, er størrelsen af inverterne blevet mindre, hvilket har øget effekttætheden betydeligt.

EV'er med 400-volts batterisystemer kræver traktionsomformere med halvlederkomponenter med en effekt på 600-750 volt, mens 800-volts køretøjer kræver halvlederkomponenter med en effekt på 900 - 1200 volt. De strømkomponenter, der anvendes i traktionsomformerne, skal også kunne håndtere spids-AC på over 500 A i 30 sekunder (s) og en maksimal vekselstrøm på 1600 A i 1 millisekund (ms). Desuden skal de switchingtransistorer og gate-drivere, der anvendes til enheden, være i stand til at håndtere disse store belastninger og samtidig opretholde en høj effektivitet for traktionsinvertere (tabel 1).

Tabel 1: Typiske krav til 2021-traktionsinvertere; energitætheden er steget med 250 % i forhold til 2009. (Billedkilde: Steven Keeping)

En traktionsinverter består typisk af tre halvbro-elementer (high-side og low-side switches), et for hver motorfase, med gate-drivere, der styrer low-side switching af hver transistor. Hele samlingen skal være galvanisk isoleret fra de lavspændingskredsløb, der forsyner resten af køretøjets systemer med strøm (figur 1).

Figur 1: Et køretøj kræver en trefaset spændingsinverter (traktionsinverter) til at konvertere højspændings (HV) DC-strøm fra batteriet til den AC-strøm, som køretøjets elektriske motor(er) har brug for. HV-systemet, herunder traktionsinverteren, er isoleret fra køretøjets konventionelle 12-voltssystem. (Billedkilde: ON Semiconductor)

Afbryderne i eksemplet i figur 1 er IGBT'er. Disse har været et populært valg til en traktionsinverter, fordi de kan håndtere høje spændinger, skifter hurtigt, har god effektivitet og er relativt billige. Men efterhånden som prisen på SiC power MOSFET'er er faldet, og de er blevet mere kommercielt tilgængelige, vender ingeniører sig mod disse komponenter på grund af deres betydelige fordele i forhold til IGBTs.

Fordel ved SiC MOSFET'er til højeffektive gate-drivere

De vigtigste fordele ved SiC power MOSFET'er i forhold til konventionelle silicium (Si) MOSFET'er og IGBT'er skyldes enhedernes WBG-halvledersubstrat. Si MOSFET'er har en båndgabsenergi på 1,12 elektronvolt (eV) sammenlignet med SiC MOSFET'ernes 3,26 eV. Det betyder, at WBG-transistoren kan modstå meget højere nedbrydningsspændinger end Si-enheder samt en resulterende nedbrydningsfeltspænding, der er omkring ti gange større end Si. Den høje nedbrydningsfeltspænding gør det muligt at reducere enhedens tykkelse for en given spænding, hvilket sænker "on"-modstanden (RDS_(ON)) og dermed reducerer koblingstabet og forbedrer strømføringsevnen.

En anden vigtig fordel ved SiC er dets varmeledningsevne, som er ca. tre gange højere end Si. En højere varmeledningsevne resulterer i en mindre stigning i junction-temperaturen (T_j) for en given effekttab. SiC-MOSFET'er kan også tåle en højere maksimal junction-temperatur (T_j(max)) end Si. En typisk T_j(max)-værdi for en Si MOSFET er 150˚C; SiC-enheder kan tåle en T_j(max)-værdi på op til 600˚C, selv om kommercielle enheder typisk er klassificeret til 175 til 200˚C. Tabel 2 viser en sammenligning af egenskaberne mellem Si og 4H-SiC (den krystallinske form af SiC, der almindeligvis anvendes til fremstilling af MOSFET'er).

Tabel 2: SiC MOSFET's nedbrydningsfelt, varmeledningsevne og maksimale junction-temperatur gør den til et bedre valg end Si til højstrøms- og højspændingsforbindelser. (Billedkilde: ON Semiconductor)

Den høje nedbrydningsspænding, den lave RDS_(ON), den høje termiske ledningsevne og den høje T_j(max) gør det muligt for en SiC-MOSFET at håndtere meget højere strøm og spænding end en Si-MOSFET af tilsvarende størrelse.

IGBT'er er også i stand til at håndtere høje spændinger og strømme og er ofte billigere end SiC MOSFET'er - en vigtig årsag til, at de er populære i design af traktionsinvertere. Ulempen ved IGBT'er, især når udvikleren ønsker at maksimere energitætheden, er en begrænsning af den maksimale driftsfrekvens på grund af deres "halestrøm" og relativt langsomme slukning. I modsætning hertil kan en SiC MOSFET klare højfrekvente switching på samme niveau som en Si MOSFET, men med en IGBT's evne til at håndtere spænding og strømstyrke.

Større tilgængelighed af SiC MOSFET'er

Indtil for nylig har den relativt høje pris på SiC MOSFET'er betydet, at de kun har kunnet anvendes til traktionsinvertere til luksus-EV'er, men de faldende priser har gjort SiC MOSFET'er til en mulighed for et bredere udvalg.

To eksempler på denne nye generation af SiC power MOSFET'er kommer fra ON Semiconductor: NTBG020N090SC1 og NTBG020N120SC1. Den største forskel mellem enhederne er, at førstnævnte har en maksimal dræn-til-kilde-nedbrydningsspænding (V_(BR)DSS) på 900 volt med en gate-til-kilde-spænding (V_GS) på 0 volt og en kontinuerlig drænstrøm (I_D) på 1 milliamp (mA), mens sidstnævnte har en maksimal V_(BR)DSS på 1200 volt (under de samme betingelser). Den maksimale T_j for begge enheder er 175˚C. Begge enheder er enkelt N-kanals MOSFET'er i en D2PAK-7L-pakning (figur 2).

Figur 2: NTBG020N090SC1 og NTBG020N120SC1 N-kanals SiC power MOSFET'er i D2PAK-7L-pakke og adskiller sig primært ved deres V_(BR)DSS-værdier på henholdsvis 900 og 1200 volt. (Billedkilde: Steven Keeping, ved hjælp af materiale fra ON Semiconductor)

NTBG020N090SC1 har en R_DS(ON) på 20 milliohms (mΩ) med en V_GS på 15 volt (I_D = 60 A, T_j = 25˚C), og en R_DS(ON) på 16 mΩ med en V_GS på 18 volt (I_D = 60 A, T_j = 25 ˚C). Maksimal kontinuerlig drain-kilde diode-forwardstrøm (I_SD) er 148 A (V_GS = −5 volt, T_j = 25 ˚C), og maks. pulserende drain-kilde diode-forwardstrøm (I_SDM) er 448 A (V_GS = −5 volt, T_j = 25 ˚C). NTBG020N120SC1 har en R_DS(ON) på 28 mΩ ved en V_GS på 20 volts (I_D = 60 A, T_j = 25˚C). Maks. I_SD er 46 A (V_GS = −5 volt, T_j = 25˚C), og maks. I_SDM er 392 A (V_GS = −5 volt, T_j = 25˚C).

Design med SiC MOSFET'er

På trods af deres fordele skal designere, der ønsker at inkorporere SiC MOSFET'er i deres traktionsinverterdesigns, være opmærksomme på en væsentlig komplikation; transistorerne har vanskelige krav til gate-drift. Nogle af disse udfordringer skyldes, at SiC-MOSFET'er sammenlignet med Si-MOSFET'er har lavere transkonduktans, højere intern gate-modstand og en tærskelværdi for gate-tændingen på mindre end 2 volt. Som følge heraf skal gaten trækkes under jorden (typisk til -5 volt) i slukket tilstand for at sikre korrekt omskiftning.

Den største udfordring ved gate-drev opstår imidlertid ved, at der skal anvendes en stor V_GS (op til 20 volt) for at sikre en lav R_DS(ON). Drift af en SiC MOSFET ved en for lav V_GS kan resultere i termisk stress eller endog svigt på grund af strømforbrug (Figur 3).

Figur 3: For NTBG020N090SC1 SiC MOSFET'en er det nødvendigt med en høj V_GS for at undgå termisk stress fra høj R_DS(ON). (Billedkilde: ON Semiconductor)

Da en SiC MOSFET er en lavforstærkningsapparat, skal designeren desuden tage hensyn til den indvirkning, som dette har på flere andre vigtige dynamiske egenskaber, når han designer et gate-drive-kredsløb. Disse egenskaber omfatter gate charge Miller-plateauet og kravet om overstrømsbeskyttelse.

Disse designkomplikationer kræver en specialiseret gate driver med følgende egenskaber:

• En evne til at levere en V_GS-drift på -5 til 20 volt for at udnytte fordelene ved SiC MOSFET's ydeevne fuldt ud. For at give tilstrækkelig overhead til at opfylde dette krav skal gate-drevkredsløbet kunne modstå V_DD= 25 volt og V_EE = -10 volt.
• V_GS skal have hurtige stignings- og faldflader i størrelsesordenen et par nanosekunder (ns).
• Gate-driveren skal kunne levere en høj spidsgate-strøm i størrelsesordenen flere ampere i hele MOSFET'ens Miller-plateauområde.
• Den nominelle sink strømstyrke skal være større end den, der er nødvendig for blot at aflade SiC MOSFET'ens indgangskapacitet. Der bør overvejes en minimum peak-sinkstrøm i størrelsesordenen 10 A for højtydende halvbrostrømstopologier med høj ydeevne.
• Lav parasitær induktans til højhastighedskobling.
• Lille driverpakke, der kan placeres så tæt som muligt på SiC MOSFET'en og øge energitætheden.
• En desatureringsfunktion (DESAT), der er i stand til at detektere, fejlmelde og beskytte for at sikre pålidelig drift på lang sigt.
• Et V_DD-niveau for UVLO, der er tilpasset kravet om, at V_GS > 16 volt, før skiftet begynder.
• V_EE UVLO-overvågningsfunktion for at sikre, at den negative spændingslinje er inden for et acceptabelt område.

ON Semiconductor har introduceret en gate-driver, der er designet til at opfylde disse krav i traktionsinverterdesigns. NCP51705MNTXG SiC MOSFET gate driveren har et højt integrationsniveau, hvilket gør den kompatibel med ikke kun deres SiC MOSFET'er, men også med dem fra en lang række producenter. Enheden indeholder mange grundlæggende funktioner, der er fælles for gate-drivere til generelle formål, men har også de specialiserede krav, der er nødvendige for at designe et pålideligt SiC MOSFET gate-driverkredsløb med minimale eksterne komponenter.

NCP51705MNTXG indeholder f.eks. en DESAT-funktion, der kan implementeres ved hjælp af blot to eksterne komponenter. DESAT er en form for overstrømsbeskyttelse for IGBT'er og MOSFET'er til overvågning af en fejl, hvorved V_DS kan stige med maksimal I_D. Dette kan påvirke effektiviteten og i værste fald muligvis beskadige MOSFET'en. Figur 4 viser, hvordan NCP51750MNTXG overvåger V_DS for MOSFET'en (Q1) via DESAT-stiften via R1 og D1.

Figur 4: NCP51705MNTXG's DESAT-funktion måler V_DS for unormal adfærd i perioder med maksimal I_D og implementerer overstrømsbeskyttelse. (Billedkilde: ON Semiconductor)

NCP51705MNTXG gate driveren har også programmerbar UVLO. Dette er en vigtig funktion, når SiC MOSFET'er skal styres, fordi switchingkomponentens udgang skal være deaktiveret, indtil V_DD er over en kendt tærskelværdi. Hvis driveren får lov til at skifte MOSFET'en ved lav V_DD, kan enheden blive beskadiget. NCP51705MNTXG's programmerbare UVLO beskytter ikke kun belastningen, men bekræfter over for controlleren, at den anvendte_VDD er over tændtærsklen. UVLO-tærsklen for aktivering af UVLO indstilles med en enkelt modstand mellem UVSET og SGND (Figur 5).

Figur 5: UVLO-tærsklen for NCP51705MNTXG SiC MOSFET'en indstilles af UVSET-modstanden, R_UVSET, som vælges i overensstemmelse med en ønsket UVLO-tændspænding,_VON. (Billedkilde: ON Semiconductor)

Digital isolering til traktionsomformere

For at færdiggøre et design af en traktionsinverter skal ingeniøren sikre, at LV-siden af køretøjets elektronik er isoleret fra de høje spændinger og strømme, der passerer gennem inverteren (Figur 2 ovenfor). Men da mikroprocessoren, der styrer HV-gate-driverne, befinder sig på LV-siden, skal enhver isolering give mulighed for passage af digitale signaler fra mikroprocessoren til gate-driverne. ON Semiconductor tilbyder også en komponent til denne funktion, NCID9211R2, en højhastigheds, tokanals, tovejs keramisk digital isolator med høj hastighed.

NCID9211R2 er en galvanisk isoleret, fuld-duplex digital isolator, der gør det muligt at overføre digitale signaler mellem systemer uden at lede jordsløjfer eller farlige spændinger. Enheden har en maksimal arbejdsisolering på 2000 V_peak, 100 kilovolt/millisekund (kV/ms) common-mode-afvisning og en datatransmission på 50 megabit pr. sekund (Mbit/s).

Keramiske kondensatorer uden for chippen udgør isolationsbarrieren som vist i figur 6.

Figur 6: Blokdiagram, der illustrerer en enkelt kanal af den digitale isolator NCID9211R2. Kondensatorer uden for chippen udgør isolationsbarrieren. (Billedkilde: ON Semiconductor)

De digitale signaler transmitteres over isolationsbarrieren ved hjælp af en OOK-modulation (ON-OFF keying). På sendersiden moduleres V_IN-indgangens logiske tilstand med et højfrekvent bæresignal. Det resulterende signal forstærkes og overføres til isolationsbarrieren. Modtagersiden registrerer barrieresignalet og demodulerer det ved hjælp af en konvolutdetektionsteknik (figur 7). Udgangssignalet bestemmer V_O-udgangens logiske tilstand, når output enable-kontrollen EN er høj. V_O går som standard til en lav tilstand med højimpedans, når senderens strømforsyning er slukket, eller V_IN-indgangen er frakoblet.

Figur 7: Den digitale isolator NCID9211 anvender OOK-modulation til at overføre digitale oplysninger over isolationsbarrieren. (Billedkilde: ON Semiconductor)

Konklusion

SiC power MOSFET'er er en god mulighed for højeffektive traktionsinvertere med høj effekt og høj effekttæthed til elbiler, men deres elektriske egenskaber medfører unikke designudfordringer med hensyn til gate-drivere og beskyttelse af enheden. For at føje til designudfordringerne skal ingeniørerne også sikre, at deres design af traktionsinverteren giver en høj grad af isolation fra køretøjets følsomme LV-elektronik.

Som vist tilbyder ON Semiconductor en række SiC MOSFET'er, specialiserede gate-drivere og digitale isolatorer for at lette den tekniske udvikling og opfylde kravene til traktionsinvertere og skabe en bedre balance mellem lang rækkevidde og høj ydeevne for moderne elbiler.