Hvordan man gør energiinfrastrukturen mere effektiv og pålidelig og samtidig reducerer omkostningerne

Designere af energiinfrastruktur, lige fra opladningsstationer til elektriske køretøjer og solcelleinvertere til energilagring og afbrydelsesfrie strømforsyningssystemer, udfordres hele tiden til at reducere CO2-fodaftrykket, forbedre pålideligheden og sænke omkostningerne.

For at nå disse mål skal de se nøje på, hvordan de kan optimere deres effektkonverteringsløsninger for at reducere lednings- og koblingstab, opretholde en god termisk ydeevne, reducere den samlede formfaktor og mindske elektromagnetisk interferens (EMI). De skal også sikre, at den valgte løsning er i stand til at opfylde PPAP-processen (Production Part Approval Process) og er kvalificeret i henhold til AEC-Q101.

For at imødegå disse udfordringer kan designere bruge en række siliciumcarbid (SiC) effekt MOSFET'er, SiC Schottky-dioder, gate-driver IC'er og effektmoduler.

I denne artikel gennemgås kort, hvordan SiC-teknologi kan øge effektiviteten og pålideligheden og reducere omkostningerne sammenlignet med klassiske silicium (Si)-metoder. Derefter gennemgås mulighederne for pakning og systemintegration af SiC, inden der præsenteres flere eksempler fra onsemi og viser, hvordan designere bedst kan anvende dem til at optimere SiC effekt MOSFET'er og gate-driveres ydeevne for at imødekomme udfordringerne i forbindelse med energiinfrastruktur.

SiC vs Si

SiC er et materiale med bredt båndgab (WBG), med et båndgab på 3,26 elektronvolt (eV) sammenlignet med Si's båndgab på 1,12 eV. Det har også 10 gange større nedbrydningsfeltkapacitet, over 3 gange større varmeledningsevne og kan fungere ved meget højere temperaturer sammenlignet med Si. Disse specifikationer gør SiC velegnet til brug i energiinfrastrukturapplikationer (tabel 1).

Tabel 1: Materialeegenskaberne for 4H-SiC sammenlignet med Si gør SiC velegnet til brug i energiinfrastrukturapplikationer. (Billedkilde: onsemi)

Det højere nedbrydningsfelt gør det muligt for tyndere SiC-enheder at have den samme spændingsværdi som tykkere Si-enheder, og de tyndere SiC-enheder har tilsvarende lavere on-modstand og højere strømkapacitet. Mobilitetsparameteren for SiC er i samme størrelsesorden som Si, hvilket gør begge materialer anvendelige til højfrekvent effektkonvertering, hvilket understøtter kompakte formfaktorer. Deres højere varmeledningsevne betyder, at SiC-enheder oplever en lavere temperaturstigning ved højere strømniveauer. Driftstemperaturen for SiC-enheder er begrænset af emballagefaktorer som trådbånd og ikke af SiC-materialets egenskaber. Derfor er valget af den optimale pakningsstil en vigtig overvejelse for designere, når de bruger SiC.

SiC's materialeegenskaber gør det til et fremragende valg til mange højspændings-, højhastigheds-, højstrøms- og højdensitets-konverteringsdesigns med høj effekt. I mange tilfælde er spørgsmålet ikke, om der skal bruges SiC, men om hvilken SiC-pakningsteknologi, der giver den optimale afvejning af ydeevne og omkostninger.

Designere har tre grundlæggende pakningsmuligheder ved brug af SiC-strømteknologi: diskrete enheder, intelligente strømforsyningsmoduler (IPM'er) eller strømintegrerede moduler (PIM'er), som hver især giver et unikt sæt af afvejninger med hensyn til omkostninger og ydeevne (tabel 2). For eksempel:

• Diskrete enheder foretrækkes generelt, når prisen er en vigtig faktor, f.eks. i forbrugerapplikationer. De understøtter også dobbeltforsyning og har lang levetid.
• IPM-løsninger reducerer designtiden, har den højeste pålidelighed og er de mest kompakte løsninger til moderate effektniveauer.
• PIM'er kan understøtte design med højere effekt med gode effekttætheder, rimelig hurtig time-to-market, en bred vifte af designmuligheder og flere muligheder for dobbeltforsyning sammenlignet med IPM'er.

Tabel 2: Sammenligning af integrationsfunktioner og kompromiser ved valg mellem diskrete, IPM- og PIM SiC-pakningsløsninger. (Billedkilde: onsemi)

Hybride Si/SiC-IPM'er

Selv om det er muligt at udvikle løsninger udelukkende med SiC-enheder, er det nogle gange mere omkostningseffektivt at bruge hybride Si/SiC-designs. For eksempel kombinerer NFL25065L4BT hybrid IPM fra onsemi fjerde generations Si IGBT'er med en SiC boost-diode på udgangen for at danne et indgangstrin med interleaved effektfaktorkorrektion (PFC) til forbruger-, industri- og medicinske applikationer (figur 1). Denne kompakte IPM omfatter et optimeret gate-drev til IGBT'erne for at minimere EMI og tab. De integrerede beskyttelsesfunktioner omfatter underspændingslåsning, overstrømsafbrydelse, termisk overvågning og fejlrapportering. Andre funktioner i NFL25065L4BT omfatter:

• 600 volt/50 ampere (A) tofaset interleaved PFC
• Optimeret til 20 kilohertz (kHz) koblingsfrekvens
• Lav termisk modstand ved hjælp af aluminiumoxid med direkte kobberbinding (DBC) substrat
• Integreret termistor med negativ temperaturkoefficient (NTC) til temperaturovervågning
• Isolationsklassificering på 2500 volt RMS (rms)/1 minut
• UL-certificering

Figur 1: NFL25065L4BT IPM'en udgør et interleaved PFC-trin ved hjælp af fjerde generation Si IGBT'er med en SiC boost-diode på udgangen. (Billedkilde: onsemi)

SiC PIM'er

Til solcelleinvertere, EV-ladestationer og lignende applikationer, der kan drage fordel af at bruge en SiC-baseret PIM til at maksimere strømforsyningen med reduceret fodaftryk og mindre samlet volumen, kan designere bruge NXH006P120MNF2PTG. Denne enhed består af en 6 milliohm (mΩ), 1200 volt SiC MOSFET halvbro og en integreret NTC-termistor i en F2-pakning (figur 2). Pakkeløsninger omfatter:

• Med eller uden forud påført termisk grænseflademateriale (TIM)
• Stifter, der kan loddes eller presses ind

Figur 2: Det integrerede strømforsyningsmodul NXH006P120MNF2PTG leveres i en F2-pakke med press-stifter. (Billedkilde: onsemi)

Disse IPM'er har en maksimal driftstemperatur på 175 grader Celsius (°C) og kræver ekstern styring og gate-drivere. Den valgfrie press-fit-teknologi, også kaldet koldsvejsning, giver en pålidelig forbindelse mellem stifterne og de pletterede gennemgående huller på printkortet. Press-fit giver forenklet samling uden lodning og giver en gastæt, lav modstand, metal-til-metal-forbindelse.

SiC Schottky-dioder

SiC Schottky-dioder kan anvendes i kombination med IPM'er eller i 100 % diskrete designs, og de giver bedre koblingsevne og højere pålidelighed sammenlignet med Si dioder. SiC Schottky-dioder, som f.eks. 1700 volt/25 A NDSH25170A, har ingen omvendt genoprettelsesstrøm, fremragende termisk ydeevne og temperaturuafhængige koblingsegenskaber. Dette giver højere effektivitet, hurtigere koblingsfrekvenser, højere effekttætheder, lavere EMI og nem parallelisering, hvilket alt sammen bidrager til at reducere løsningens størrelse og omkostninger (figur 3). NDSH25170A har bl.a. følgende funktioner:

• 175 °C maksimal samlingstemperatur
• 506 millijoules (mJ) avalance-værdi
• Ikke-repetitiv overspændingsstrøm op til 220 A og repetitive overspændingsstrømme op til 66 A
• Positiv temperaturkoefficient
• Ingen tilbagebetaling i omvendt retning og ingen tilbagebetaling i fremadrettet retning
• AEC-Q101-kvalifikation og PPAP-kapacitet

Figur 3: NDSH25170A SiC Schottky-dioden på 1700 volt/25 A har ingen omvendt genoprettelsesstrøm, fremragende termisk ydeevne og temperaturuafhængige koblingsegenskaber. (Billedkilde: onsemi)

Diskrete SiC MOSFET'er

Designere kan kombinere diskrete SiC Schottkys med onsemi's 1200 V SiC MOSFET'er, som også har fremragende koblingsevne, lavere ON-modstand og højere pålidelighed sammenlignet med Si-enheder. Den kompakte chipstørrelse af SiC MOSFET'er giver lav kapacitet og lav gateopladning. Sammen med deres lave ON-modstand bidrager den lavere kapacitans og gate-ladning til at øge systemets effektivitet, muliggøre hurtigere koblingsfrekvenser, øge effekttætheden, mindske elektromagnetisk interferens (EMI) og muliggøre mindre formfaktorer. NTBG040N120SC1 er f.eks. beregnet til 1200 volt og 60 A og leveres i en D2PAK-7L-overflademonteret pakke (figur 4). Specifikationer omfatter:

• 106 nanocoulombs (nC) typisk gate-ladning
• 139 picofarads (pF) typisk udgangskapacitet
• 100 % avalanche testet
• 175 °C krydsningstemperatur i drift
• AEC-Q101-kvalifikation

Figur 4: NTBG040N120SC1 SiC MOSFET'en er beregnet til 1200 volt/60 A, har en tændingsmodstand på 40 mΩ og leveres i en D2PAK-7L-overflademonteret pakke. (Billedkilde: onsemi)

SiC MOSFET gate-driver

Gate-drivere til SiC-MOSFET'er, som f.eks. onsemi NCx51705-serien, leverer en højere drivspænding end drivere til Si-MOSFET'er. Det kræver en gate-spænding på 18 til 20 volt at tænde en SiC MOSFET fuldt ud, sammenlignet med mindre end 10 volt, der skal bruges til at tænde en Si MOSFET. Desuden kræver SiC-MOSFET'er en gate-drift på -3 til -5 volt, når enheden slukkes. Designere kan bruge NCP51705MNTXG lav side, enkelt 6 A højhastighedsdriver med 6 A, der er optimeret til SiC MOSFET'er (Figur 5). NCP51705MNTXG leverer den maksimale nominelle drivspænding for at muliggøre lave ledningstab, og den leverer høje spidsstrømme under tænding og slukning for at minimere switching tab.

Figur 5: Forenklet skema med to NCP51705MNTXG-driver-IC'er (midten til højre), der driver to SiC MOSFET'er (til højre) i en halvbro-topologi. (Billedkilde: onsemi)

Designere kan bruge den integrerede ladningspumpe til at generere en negativ spændingsskinne, som brugeren selv kan vælge, for at opnå større pålidelighed , forbedret dv/dt-immunitet og hurtigere slukning. I isolerede konstruktioner kan en eksternt tilgængelig 5-voltskinne forsyne sekundærsiden af digitale eller højhastighedsoptoisolatorer. Beskyttelsesfunktionerne i NCP51705MNTXG omfatter termisk nedlukning baseret på driverkredsløbets junction-temperatur og overvågning af underspændingslåsning af bias-strømmen.

Overvejelser om Eval board og SiC gate drev

For at fremskynde evaluerings- og designprocessen kan designere bruge NCP51705SMDGEVB-evalkortet (EVB) til NCP51705 (Figur 6). EVB'en indeholder en NCP51705-driver og alle de nødvendige drivkredsløb, herunder en indbygget digital isolator og mulighed for at lodde en SiC- eller Si-MOSFET i en TO-247-pakning. EVB er designet til brug i enhver applikation med lav- eller højtsidet strømskifte. To eller flere af disse EVB'er kan konfigureres i et totem pole-drev.

Figur 6: NCP51705SMDGEVB EVB har huller (øverst til venstre) til tilslutning af en SiC- eller Si effekt MOSFET og omfatter NCP51705-driveren (U1, midt til venstre) og den digitale isolator-IC (højre midt). (Billedkilde: onsemi)

Minimering af parasitær induktans og kapacitans på printkortet er vigtig, når NCP51705 gate-driveren anvendes sammen med en SiC MOSFET (Figur 7). Nogle overvejelser om layout af printkort omfatter:

• NCP51705 skal være så tæt som muligt på SiC MOSFET'en, idet der lægges særlig vægt på korte ledninger mellem VDD, SVDD, V5V, ladningspumpen og VEE-kondensatoren og MOSFET'en.
• Ledningen mellem VEE og PGND skal være så kort som muligt.
• Der skal være adskillelse mellem sporene med høj dV/dt og driverens indgang og DESAT for at undgå unormal drift, der kan skyldes støjkobling.
• Ved design med høje temperaturer bør der anvendes termiske vias mellem den udsatte pad og det ydre lag for at minimere den termiske impedans.
• Der skal anvendes brede spor til OUTSRC, OUTSNK og VEE.

Figur 7: Anbefalet printkortlayout for NCP51705 for at minimere parasitær induktans og kapacitans til at drive SiC MOSFET'er. (Billedkilde: onsemi)

Konklusion

SiC spiller en vigtig rolle for at hjælpe designere med at opfylde kravene i et stigende antal og en voksende variation af energiinfrastrukturapplikationer. Designere kan nu bruge SiC-enheder til at designe mere effektive højspændings-, højhastigheds- og højstrøms-strømkonverteringsdesigns, der resulterer i mindre løsninger og højere effekttætheder. Det er dog vigtigt at vælge den optimale pakningsform for at få det maksimale udbytte af design med SiC.

Som det fremgår, er der en række afvejninger af ydeevne, markedsføringstid og omkostninger, der skal tages i betragtning, når der skal vælges mellem diskrete enheder, IPM'er og PIM'er. Når der anvendes diskrete enheder eller PIM'er, er valget af SiC-gate-driveren og det optimale printkortlayout også afgørende for at opnå pålidelig og effektiv systemydelse.

Anbefalet læsning

1. Sådan designes SiC MOSFET'er til forbedring af effektiviteten af EV-traktionsinvertere
2. Sådan sikrer du sikre og effektive modulære BESS-installationer ved hjælp af sammenbyggelige batteripolkontakter