Sådan reduceres tab, forbedres effektiviteten og udvides temperaturområdet i højeffektsapplikationer

Designere af strømkrævende applikationer har brug for mindre, lettere og mere effektive strømkonvertere, der kan fungere ved højere spændinger og temperaturer. Det gælder især i applikationer som elbiler (EV'er), hvor sådanne forbedringer betyder hurtigere opladning og større rækkevidde. For at opnå disse forbedringer bruger designerne effektkonvertere baseret på bred båndafstand (Wide BandGap – WBG)-teknologier som f.eks. siliciumkarbid (SiC).

Sammenlignet med silicium (Si) fungerer disse enheder ved højere spændinger og vejer mindre, men har alligevel lignende strømhåndteringsevner. De arbejder også ved højere temperaturer, hvilket reducerer behovet for kølesystemer. SiC-enheder kan arbejde ved en højere switch-frekvens, hvilket gør det muligt at bruge mindre passive komponenter, der reducerer konverterens størrelse og vægt. SiC er dog under konstant udvikling, og de seneste tiltag har resulteret i lavere "on"-modstand, hvilket yderligere reducerer strømtabet.

Denne artikel diskuterer kort fordelene ved SiC i forhold til Si og bruger elbiler som kontekst. Derefter diskuteres udviklingen inden for SiC, inden ROHM Semiconductor’s 4. generation af SiC MOSFET'er introduceres, og det illustreres, hvordan de hjælper designere med at reducere effekttab, omkostninger og fodaftryk.

Hvorfor bruge SiC?

Elbiler har brug for øget batterikapacitet for at få længere rækkevidde. I forbindelse med denne tendens øges batterispændingen til 800 volt for at reducere opladningstiden. Derfor har designere af elbiler brug for enheder, der kan modstå disse højere spændinger og samtidig reducere elektriske tab og vægt. ROHM Semiconductors 4. generation af SiC MOSFET'er giver lavere tab gennem højere spændingstolerance, lavere lednings- og koblingstab og mindre størrelser.

I forhold til Si MOSFET-teknologi er SiC, en WBG-halvleder, exceptionelt effektive i applikationer med højspændingsafbrydere. En sammenligning af de fysiske egenskaber for SiC og Si viser kilden til denne forbedring baseret på fem fysiske egenskaber: elektrisk nedbrydningsfelt, båndgab, varmeledningsevne og smeltepunkt (figur 1).

Figur 1: Her ses fordelene ved SiC i forhold til Si MOSFET'er baseret på fem fysiske egenskaber. (Billedkilde: ROHM Semiconductor)

Den elektriske feltstyrke i SiC er ti gange større end i Si, hvilket gør det muligt at designe enheder med højere nedbrydningsspændinger og samtidig reducere enhedens tykkelse. SiC's bredere båndgab gør det muligt for enheden at fungere ved meget højere temperaturer. Højere varmeledningsevne reducerer den indsats, der er nødvendig for at køle enheden, mens det højere smeltepunkt øger driftstemperaturområdet. Endelig resulterer SiC's højere mættede elektron-driftshastighed i højere mulige koblingsfrekvenser og lavere koblingstab. Disse højere koblingsfrekvenser kræver mindre filtre og andre passive komponenter, hvilket yderligere reducerer størrelse og vægt.

MOSFET-udvikling

De oprindelige SiC MOSFET'er brugte en plan struktur, hvor enhedens gate og kanal er på halvlederens overflade. Planare enheder er begrænsede i deres komponenttæthed, da der er en grænse for, hvor meget design kan reduceres i størrelse i et forsøg på at forbedre enhedens udbytte. Brugen af enkel- og dobbeltrench-MOSFET’er giver mulighed for at opnå højere enhedstætheder (figur 2).

Figur 2: Trench-MOSFET’er opnår højere enhedstæthed ved at arrangere enhedselementerne vertikalt. (Billedkilde: ROHM Semiconductor)

Ligesom andre MOSFET'er indeholder en trench-MOSFET-celle et drain, en gate og en source, men er arrangeret vertikalt. Kanalen dannes vertikalt, parallelt med gate-trenchen, ved hjælp af felteffekten. Strømflowretningen er vertikalt fra source til drain. Sammenlignet med en plan enhed, som er spredt horisontalt og optager en hel del overfladeareal, er denne struktur meget kompakt.

Enkeltrench-strukturen bruger en enkel gate-trench. Dobbeltrench-enheden har både en gate- og en source-trench. ROHM Semiconductor skiftede til dobbeltrench-strukturen for sine 3. generations SiC MOSFET'er. 4. generationsdesignet videreudviklede dobbeltrench-designet ved at reducere cellestørrelsen, hvilket yderligere reducerede on-state-modstanden og den parasitkapacitans, hvilket førte til meget lavere effekttab og gav mulighed for at bruge mindre SiC-enheder til mere omkostningseffektive systemdesign.

Hvis en MOSFET's on-tilstand-modstand sænkes, kan det gå ud over dens evne til at håndtere kortslutninger. Men 4. generations SiC MOSFET opnår lavere on-modstand uden at forkorte kortslutningsmodstandstiden, hvilket giver disse enheder en betydelig fordel, når det gælder om at opnå både høj effektivitet og robust kortslutningsmodstand.

Forståelse af tab

Tab i en switched-mode-konverter kommer fra flere kilder; dem, der er forbundet med de aktive enheder, omfatter lednings-, koblings- og kropsdiodetab (figur 3).

Figur 3: Her ses et skema over en DC-DC step-down konverter, der er mærket for at vise koblingsbølgeformerne og de tilhørende tabsbølgeformer. (Billedkilde: ROHM Semiconductor)

Buck-konverteren bruger et totempæl-design med en høj-side (S_H) og en lav side (S_L) MOSFET-kontakt. Kontakterne drives ude af fase, så kun én leder ad gangen. Gate-drive-bølgeformer (V_GSH og V_GSL) viser amplitude-trinene på grund af de tilhørende opladningsintervaller for enhedens parasitkapacitanser. Bølgeformerne for drain-til-source-spænding (V_DSH, V_DSL) og drain-strøm (I_DH, I_DL) vises for begge enheder. Når enheden er tændt, er V_DS lav. Når enheden er slukket, er V_DS høj. I det tidsrum, hvor S_H er tændt, stiger drain-strømmen lineært, mens den oplader induktionsspolens magnetfelt. I løbet af denne tid udvikler strømmen gennem kanalmodstanden en spænding over kanalen, hvilket resulterer i ledningstab (P_COND), der er proportional med kvadratet af strømmen og kanalens ’on’ modstand. I de intervaller, hvor enheden skifter tilstand, er både spændingen og strømmen forskellige fra nul, og der afgives strøm i enheden proportionalt med spændingen, strømmen, koblings overgangstiden og switch-frekvens. Disse er koblingstabene.

En lignende situation opstår, når S_L er tændt. Her falder strømmen lineært, da den energi, der er lagret i induktionsspolen, leverer drain-strømmen i den nederste enhed. Igen, kanalmodstanden afleder strøm som ledningstab. Bemærk, at V_DSL i den nederste enhed er tæt på nul, før strømmen afviger fra nul, så der er ingen koblingstab forbundet med denne del af cyklussen.

Genoprettelsestabet (P_Qrr) skyldes genoprettelsen af enhedernes kropsdiode; for nemheds skyld vises det kun for højsiden.

P_body er enhedernes kropsdiodeledeevne. Dette tab genereres af strømmen, der ledes gennem kropsdioden i lavside-enheden.

Det samlede effekttab er summen af alle disse komponenter for begge transistorer.

Forbedret ydeevne for 4. generations SiC MOSFET'er

En sammenligning af ydeevnen for Si IGBT samt 3. og 4. generations SiC MOSFET'er blev udført ved hjælp af en 5 kilowatt (kW) fuld-bro-inverter (figur 4). I dette fuldbro-kredsløb er koblingsenhederne forbundet parallelt for at opnå en højere strømkapacitet. Den fulde bro bruger i alt otte enheder. De otte enheder er vist monteret på kølepladen på det venstre billede. Kredsløbets effektivitet blev evalueret ved hjælp af den oprindelige IGBT og 3. og 4. generations MOSFET'er. Inverteren arbejder ved en koblingsfrekvens på 40 kilohertz (kHz) med SiC MOSFET'erne og ved 20 kHz med IGBT'en.

Figur 4: Her ses en 5 kW blæserløs inverter og dens skema. Dette kredsløb blev oprindeligt designet med silicium IGBT'er, der kørte ved 20 kHz, men blev kørt med både 3. og 4. generations SiC MOSFET'er ved 40 kHz. Ydeevnen for alle tre halvledertyper blev sammenlignet. (Billedkilde: ROHM Semiconductor)

Den 3. generation af enheden var en ROHM Semiconductor SCT3030AL-enhed med en nominel spænding på 650 volt og en kanalmodstand (R_DS(ON)) på 30 milliohm (mΩ). Den 4. generations MOSFET var en ROHM Semiconductor SCT4026DEC11. Spændingen på 4. generation af enheden blev øget til 750 volt. Dens R_DS(ON) er 26 mΩ, en reduktion på 13 %, der reducerer ledningstabet en smule.

En sammenligning af begge SiC MOSFET'ers tab med den oprindelige IGBT viser forbedringen i effektivitet (figur 5).

Figur 5: 4. generations SiC MOSFET'er reducerede tabet betydeligt sammenlignet med den oprindelige Si IGBT og 3. generations enheden. (Billedkilde: ROHM Semiconductor)

Den 4. generation af enheden reducerede ledningstabet (blå) fra 10,7 til 9,82 watt sammenlignet med 3. generation af enheden. En mere markant reduktion blev opnået med koblingstab (orange), et fald fra 16,6 til 8,22 watt.

Yderligere forbedringer i 4. generation af enheder omfatter forbedrede gate drive-funktioner. 4. generations SiC MOSFET'erne tillader drift med 15 volt; 3. generations enheder kræver 18 volt. Det betyder, at kredsløb, der er designet med Si-enheder, kan bruge 4. generations MOSFET'er som drop-in-erstatning. Desuden er den anbefalede drevspænding under slukning 0 volt for 4. generations SiC MOSFET'er. Før 4. generationsprodukterne havde gate-to-source-spændingen brug for en negativ bias under turn-off for at forhindre self-turn-on. Men i 4. generations enheder er tærskelspændingen (Vth) designet til at være høj for at undertrykke selvtændingen, hvilket eliminerer behovet for anvendelse af negativ bias.

4. generations løsninger

ROHM Semiconductors 4. generations SiC MOSFET-løsninger opdeles i to grupper baseret på enhedens indpakning. SCT4026DEC11, som blev diskuteret, er en 750 volt, 56 ampere (A) (+25°C)/29 A (+100°C), 26 mΩ SiC MOSFET i en TO-247N-pakke med tre ledere. Et eksempel på den alternative emballage med fire ledere er SCT4013DRC15, en 750 volt, 105 A (+25°C)/74 A (+100°C), 13 mΩ enhed i en TO-247-4L pakke med fire ledere.

Pakken med fire ledere tilføjer en ekstra leder, der forbedrer MOSFET'ens koblingshastighed. Den konventionelle TO-247N-pakke med tre ben isolerer ikke gate-drevet fra den parasitiske source-leder-induktans på grund af den høje drain-strøm. Gate-spændingen påføres mellem gate- og source-benene. Den effektive gate-spænding på chippen reduceres på grund af spændingsfaldet over den parasitiske induktans (V_L) på source-terminalen, hvilket medfører, at omskiftningshastigheden reduceres (figur 6).

Figur 6: Den fjerde ben på TO-247-4L isolerer gate-drevet fra strømkildens ben ved hjælp af en ekstra forbindelsesben i en Kelvin-forbindelse. (Billedkilde: ROHM Semiconductor)

TO-247-4L-pakken med fire ben opdeler gate-drev- og strømkilde-benene, så gate-drev forbindes direkte til source internt. Dette minimerer effekten af den parasitiske induktans på source-benet. Den direkte tilslutning af gate-drevet til den interne source-forbindelse gør det muligt at maksimere SiC MOSFET'ernes koblingshastighed og reducere det samlede koblingstab (TÆND og SLUK) med op til 35 % sammenlignet med de konventionelle TO-247N-pakker med tre ben.

Den anden differentierende specifikation for 4. generations SiC MOSFET'er er spændingsklassen. Enhederne fås med en nominel spænding på 750 volt eller 1200 volt. De to enheder, der er omtalt indtil nu, har en nominel spænding på 750 volt. Til applikationer med højere spænding er SCT4062KEC11 en 1200 volt, 62 mΩ, 26 A (+25°C)/18 A (+100°C) SiC N-kanal MOSFET i en TO-247N-pakke med tre ledere, mens SCT4036KRC15 er en 1200 volt, 36 mΩ, 43 A (+25°C)/30 A (+100°C) N-kanal MOSFET i en TO-247-4L-pakke med fire ledere. I alt er der i øjeblikket ti 4. generations SiC MOSFET'er til rådighed med strømstyrker fra 26 A til 105 A ved +25 °C. De har R_DS(ON) -værdier, der spænder fra 13 til 62 mΩ.

EV-applikationer

4. generations SiC MOSFET-specifikationer passer godt til elbilsapplikationer. Batteri-EV’er (BEV'er) med spændinger på 400 eller 800 volt er et eksempel (figur 7).

Figur 7: Typiske 4. generations SiC MOSFET-applikationer i en BEV og tilhørende eksternt tilbehør. (Billedkilde: ROHM Semiconductor)

Figur 7 viser et blokdiagram over en BEV med en batterispænding på 400 eller 800 volt, som understøtter både tovejs- og hurtigopladning. Den indbyggede oplader (on-board charger / OBC) omfatter totempæl kredsløb til korrektion af effektfaktor (power factor correction circuits / PFC'er) og en tovejs, fuldbro CLLC (kondensator, induktionsspole, induktionsspole, kondensator)-resonansomformer. Den eksterne 'Quiq' DC-oplader oplader batteriet direkte. Batteriet driver traktionsinverteren, som omdanner jævnstrøm til trefaset vekselstrøm til at drive motoren. Alle disse kredsløb anvender MOSFET'er i forskellige kredsløbskonfigurationer til at håndtere de krævede effektniveauer. 4. generations SiC MOSFETs er vigtige, fordi de reducerer kredsløbets fysiske størrelse og øger spændingen, samtidig med at de reducerer tab og omkostninger.

Konklusion

For designere af højspændings- og højeffektapplikationer, herunder elbiler, datacentre og basestationer, er 4. generation af SiC MOSFET'er vigtige effektkoblingsenheder. Som vist bruger de en unik struktur til i høj grad at forbedre strømkonverteringseffektiviteten ved at reducere tab, samtidig med at fodaftryk og omkostninger reduceres.

Anbefalet læsning:

1. Effektiv implementering af SiC-strømforsyningsenheder til elbiler med længere rækkevidde
2. Sådan bruges de rigtige strømforsyningsenheder korrekt, for at overholde industrielle strømforsyningskrav