SiC-transistorien käyttö hyötysuhteen parantamiseksi sähköajoneuvojen invertterien suunnittelussa

Modernien sähköajoneuvojen (EV) suunnittelijat joutuvat pohtimaan ajoneuvojen suorituskykyä ja ajomatkaa. Parempi kiihtyvyys ja suurempi ajonopeus vaativat useampia pysähdyksiä latausta varten. Tämä vie aikaa. Pidempi ajomatka onnistuu puolestaan vain rauhallisemmalla etenemisvauhdilla. Suunnittelijat joutuvatkin ajomatkaa pidentääkseen ja ajoneuvojen suorituskykyä parantaakseen suunnittelemaan voimansiirron niin, että mahdollisimman paljon akun energiasta siirtyy vetäviin pyöriin. Yhtä tärkeää on kuitenkin pitää voimansiirtolaitteisto niin pienenä, että järjestelmä mahtuu ajoneuvon rajalliseen käytettävissä olevaan tilaan. Näiden vaatimusten täyttämiseen tarvitaan komponentteja, joissa sekä hyötysuhde että energiatiheys ovat erittäin korkeita.

Sähköajoneuvon voimansiirron ytimen muodostaa kolmivaiheinvertteri (invertteri), joka muuntaa akkujen tasavirran ajoneuvon sähkömoottoreissa käytettäväksi vaihtovirraksi. Tehokkaan invertterin rakentaminen on ratkaiseva osa suorituskyvyn ja ajomatkan välisen suhteen parantamista. Yksi parhaista tavoista parantaa suorituskykyä on käyttää leveän energiaraon (WBG) piikarbidipuolijohteisiin (SiC) perustuvia laitteita.

Tässä artikkelissa kuvaillaan invertterin roolia sähköajoneuvossa. Sen jälkeen siinä selitetään, miten sähköajoneuvon voimansiirtoa voidaan tehostaa käyttämällä IGBT-transistorien (Insulated-Gate Bipolar Transistor) sijaan SiC-metallioksidipuolijohteeseen perustuvia kanavatransistoreita (MOSFET). Lopuksi annetaan esimerkki piikarbiditransistoriin perustuvasta invertteristä sekä vinkkejä laitteen hyötysuhteen maksimoimiseen.

Mikä on invertteri?

Sähköajoneuvon invertteri muuntaa ajoneuvon akuista saatavan korkeajännitteisen (HV) tasavirran sähkömoottorin käyttämäksi vaihtovirraksi. Tämä tuottaa ajoneuvon liikkumiseen tarvittavan vääntömomentin. Invertterin sähkötekninen suorituskyky vaikuttaa huomattavasti ajoneuvon kiihtyvyyteen ja ajomatkaan.

Moderneihin inverttereihin syötetään virtaa 400 voltin tai viime aikoina jopa 800 voltin HV-akkujärjestelmistä. Jos invertterin virta on vähintään 300 ampeeria (A), 800 voltin akkujärjestelmää käyttävä laite tuottaa yli 200 kilowattia (kW) tehoa. Tehon noususta huolimatta invertterit ovat pienentyneet ja tehotiheys on kasvanut merkittävästi.

400 voltin akkujärjestelmää käyttävien sähköajoneuvojen inverttereissä on käytettävä 600–750 voltille luokitettuja puolijohdekomponentteja; 800 voltin ajoneuvoissa puolestaan tarvitaan 900–1200 voltille luokitetut puolijohdekomponentit. Inverttereissä käytettävien tehokomponenttien täytyy myös kestää 500 A:n AC-virtapiikkejä 30 sekunnin (s) ajan ja 1600 A:n maksimivirta 1 millisekunnin (ms) ajan. Myös laitteessa käytettävien kytkentätransistorien ja hilaohjainten täytyy selvitä näistä suurista kuormista invertterin hyötysuhteen kärsimättä (taulukko 1).

Taulukko 1: Tyypillisiä inverttereitä koskevia vaatimuksia vuonna 2021. Energiatiheys on kasvanut 250 % vuodesta 2009. (Kuvan lähde: Steven Keeping)

Invertterissä on tyypillisesti kolme puolisiltaelementtiä (yläpuolen ja alapuolen kytkimet), yksi moottorin kullekin vaiheelle. Hilaohjaimet ohjaavat kutakin transistorin alapuolen kytkemistä. Koko laitteisto on erotettava galvaanisesti ajoneuvon muiden järjestelmien virransyötössä käytettävistä pienjännitepiireistä (LV) (kuva 1).

Kuva 1: Sähköajoneuvossa käytetään kolmivaiheinvertteriä (invertteriä), jolla akkujen korkeajännitteinen (HV) tasavirta muunnetaan ajoneuvon sähkömoottoreissa käytettäväksi vaihtovirraksi. HV-järjestelmä ja invertteri on erotettu ajoneuvon tavallisesta 12 voltin järjestelmästä. (Kuvan lähde: ON Semiconductor)

Kuvan 1 esimerkissä kytkimet ovat IGBT-transistoreita. Tämä onkin ollut suosittu ratkaisu inverttereissä, koska IGBT-transistorit pystyvät käsittelemään korkeita jännitteitä, vaihtavat tilaa nopeasti, tarjoavat hyvän hyötysuhteen ja ovat melko edullisia. SiC-tehotransistorien hinnat ovat kuitenkin laskeneet ja niiden saatavuus on parantunut, joten suunnittelijat ovat alkaneet yhä enemmän käyttää näitä komponentteja, jotka tarjoavat merkittäviä etuja IGBT-transistoreihin verrattuna.

SiC-transistorien edut korkean hyötysuhteen hilaohjaimissa

SiC-tehotransistorien merkittävimmät edut perinteisiin piitransitoreihin (Si) ja IGBT-transistoreihin nähden perustuvat laitteissa käytettävään leveän energiaraon puolijohdemateriaaliin. Si-transistorien energiaraon energia on 1,12 elektronivolttia (eV) ja SiC-transistorien 3,26 eV. WBG-transistori pystyy näin ollen kestämään paljon suurempia läpilyöntijännitteitä kuin piipohjaiset laitteet, samoin noin kymmenen kertaa suurempia läpilyöntikenttien jännitteitä kuin piipohjaiset laitteet. Jos läpilyöntikentän jännite on korkea, laite voi olla samalla jännitteellä ohuempi, jolloin kytkentävastus (R_DS(ON)) pienenee ja kytkentähäviöt pienenevät sekä virransiirtokyky paranee.

Piikarbidin toinen tärkeä etu on sen lämmönjohtavuus, joka on noin kolme kertaa korkeampi kuin piillä. Kun lämmönjohtavuus on korkeampi, liitoksen lämpötila (T_j) nousee vähemmän tehohäviön ollessa sama. SiC-transistorit kestävät myös Si-transistoreita korkeamman liitoksen lämpötilan (T_j(max)). Si-transistorin tyypillinen T_j(max)-arvo on 150 ˚C, kun taas SiC-laitteet sietävät jopa 600 ˚C:n T_j(max)-lämpötilan. Myynnissä oleville laitteiden tyypillisesti ilmoitettu nimellisarvo on kuitenkin 175 – 200 ˚C. Taulukossa 2 vertaillaan piin ja 4H-SiC:n (transistorien valmistuksessa yleisesti käytetty piikarbidin muoto) ominaisuuksia.

Taulukko 2: SiC-transistorin läpilyöntikenttä, lämmönjohtavuus ja liitoksen maksimilämpötila tekevät siitä piitransistoria paremman vaihtoehdon korkean virran ja korkean jännitteen kytkentäsovelluksiin. (Kuvan lähde: ON Semiconductor)

SiC-transistori pystyy korkean läpilyöntijännitteensä, matalan R_DS(ON)-arvonsa, suuren lämmönjohtavuutensa ja suuren T_j(max)-arvonsa ansiosta käsittelemään huomattavasti korkeampia virtoja ja jännitteitä kuin vastaavan kokoinen Si-transistori.

Myös IGBT-transistorit pystyvät käsittelemään suuria jännitteitä ja virtoja. Ne ovat yleensä SiC-transistoreita edullisempia, mikä onkin tärkein syy, jonka vuoksi niitä suositaan invertterien suunnittelussa. Etenkin mahdollisimman suurta energiatiheyttä toivottaessa IGBT-transistorien tärkein haittapuoli on niiden rajallinen maksimikäyttötaajuus, joka johtuu häntävirrasta ja suhteellisen hitaasta sammumisesta. SiC-transistorit pystyvät sen sijaan kytkemään yhtä korkealla taajuudella kuin Si-transistorit, mutta niiden jännite- ja virtakapasiteetti vastaa IGBT-transistoria.

SiC-transistorien laajempi saatavuus

SiC-transistorien suhteellisen korkea hinta on viime aikoihin saakka rajannut niiden käytön ainoastaan luksussähköajoneuvojen inverttereihin, mutta hintojen laskun myötä SiC-transistorit ovat tulossa käyttöön laajemminkin.

ON Semiconductor tarjoaa kaksi esimerkkiä uuden sukupolven SiC-transistoreista: NTBG020N090SC1 ja NTBG020N120SC1. Näiden laitteiden olennaisin ero on se, että ensimmäisen laitteen maksimi läpilyöntijännite anodista katodiin (V_(BR)DSS) on 900 volttia ja hila-lähdejännite (V_GS) on 0 volttia sekä jatkuva nieluvirta (I_D) 1 milliampeeri (mA), kun taas toisen laitteen maksimi V_(BR)DSS on 1200 volttia (samoissa olosuhteissa). Molempien laitteiden T_j on 175 ˚C. Molemmat laitteet ovat yhden N-kanavan MOSFET-transistoreja D2PAK-7L-kotelossa (kuva 2).

Kuva 2: N-kanavan SiC-transistorit NTBG020N090SC1 ja NTBG020N120SC1 on saatavana D2PAK-7L-kotelossa. Niiden tärkein ero on V_(BR)DSS-arvo, joka on 900 tai 1200 volttia. (Kuvan lähde: Steven Keeping ON Semiconductorin materiaalien perusteella)

NTBG020N090SC1-transistorin R_DS(ON)-arvo on 20 milliohmia (mΩ), kun V_GS on 15 volttia (I_D = 60 A, T_j = 25˚C), ja R_DS(ON)-arvo 16 mΩ, kun V_GS on 18 volttia (I_D = 60 A, T_j = 25 ˚C). Jatkuvan nieluvirran maksimiarvo diodin myötäsuuntaan (I_SD) on 148 A (V_GS = −5 volttia, T_j = 25 ˚C) ja pulssimaisen nieluvirran maksimiarvo diodin myötäsuuntaan (I_SDM) on 448 A (V_GS = −5 volttia, T_j = 25 ˚C). NTBG020N120SC1-transistorin R_DS(ON)-arvo on 28 mΩ, kun V_GS on 20 volttia (I_D = 60 A, T_j = 25 ˚C). I_SD-maksimiarvo on 46 A (V_GS = −5 volttia, T_j = 25 ˚C) ja I_SDM-maksimiarvo on 392 A (V_GS = −5 volttia, T_j = 25 ˚C).

Suunnittelu SiC-transistoreita käytettäessä

Suunnittelijoiden, jotka haluavat käyttää inverttereissä SiC-transistoreita, on näiden laitteiden etujen lisäksi tiedettävä myös eräs merkittävä komplikaatio: näiden transistorien hilan ohjaus on hieman hankalaa. Osa haasteista johtuu siitä, että piikarbiditransistorien siirtokonduktanssi on pienempi ja sisäinen hilavastus suurempi kuin piitransistoreissa. Lisäksi hilan kytkentäkynnys voi olla jopa alle 2 volttia. Onnistuneen kytkemisen varmistamiseksi hila täytyykin vetää off-tilassa maatasoa alemmaksi (tyypillisesti −5 volttiin).

Merkittävin hilaan liittyvä haaste johtuu kuitenkin siitä, että matalan R_DS(ON)-arvon varmistaminen edellyttää korkeaa V_GS-jännitettä (jopa 20 volttia). Jos SiC-transistorin V_GS jää liian pieneksi, voi muodostua lämpöjännityksiä tai komponentti saattaa jopa vikaantua tehohäviöiden vuoksi (kuva 3).

Kuva 3: SiC-transistorin NTBG020N090SC1 käyttö edellyttää korkeaa V_GS-jännitettä korkean R_DS(ON)-arvon aiheuttamien lämpöjännitysten välttämiseksi. (Kuvan lähde: ON Semiconductor)

Koska myös SiC-transistorin vahvistus on pieni, suunnittelijan on hilaohjainpiirin suunnittelussa otettava huomioon, miten tämä vaikuttaa moniin muihin tärkeisiin dynaamisiin ominaisuuksiin. Tällaisia ominaisuuksia ovat esimerkiksi hilavarauksen Miller-alue ja ylivirtasuojauksen tarve.

Näiden suunnitteluun liittyvien haasteiden vuoksi tarvitaan erityinen hilaohjain, jolla on seuraavat ominaisuudet:

• Kyky tarjota -5–20 voltin V_GS-jännite, jotta SiC-transistorin suorituskyky voidaan hyödyntää täysimääräisesti. Jotta tämä vaatimus täyttyisi varmasti, hilaohjainpiirin tulisi kestää 25 voltin V_DD-jännite ja −10 voltin V_EE-jännite.
• V_GS-jännitteen nousevien ja laskevien reunojen on oltava nopeita, muutaman nanosekunnin (ns) luokkaa.
• Hilaohjaimen täytyy pystyä muodostamaan useiden ampeerien hilavirtapiikit koko transistorin Miller-alueella.
• Ohjaimen nieluvirran nimellisarvon tulisi olla suurempi kuin pelkkä SiC-transistorin tulokapasitanssin purkamiseen tarvittava arvo. Erittäin suorituskykyisissä puolisiltatopologioissa nieluvirran tulisi olla vähintään 10 A:n luokkaa.
• Pieni loisinduktanssi, jotta kytkeminen tapahtuisi nopeasti.
• Pienikokoinen kotelo, joka voidaan sijoittaa mahdollisimman lähelle SiC-transistoria ja joka parantaa energiatiheyttä.
• DESAT-toiminto, joka tunnistaa viat, ilmoittaa niistä sekä suojaa vioilta. Tämä parantaa toiminnan luotettavuutta pitkällä aikavälillä.
• Sopiva V_DD-alijännitteen lukitustaso (UVLO). Tässä on huomattava vaatimus, että V_GS > 16 volttia ennen kuin kytkeminen alkaa.
• V_EE-alijännitteen lukitustason tarkkailuominaisuus. Tämä varmistaa, että negatiivinen lähtöjännitetaso on hyväksyttävällä alueella.

ON Semiconductor onkin esitellyt inverttereihin tarkoitetun hilaohjaimen, joka täyttää nämä vaatimukset. SiC-transistorin hilaohjain NCP51705MNTXG on korkeasti integroitu laite, jota voidaan käyttää yrityksen omien SiC-transistorien lisäksi myös monien muiden valmistajien laitteiden kanssa. Laitteessa on useita yleiskäyttöisten hilaohjainten perustoimintoja, mutta niiden lisäksi siinä on otettu huomioon erityisvaatimukset, joita tarvitaan luotettavan SiC-transistorin hilaohjainpiirin suunnitteluun ja mahdollisimman pieneen ulkoisten komponenttien määrään.

NCP51705MNTXG-tuotteessa on esimerkiksi DESAT-toiminto, jonka toteuttamiseen tarvitaan vain kaksi ulkoista komponenttia. DESAT on IGBT- ja MOSFET-transistoreissa viantunnistukseen käytettävä ylivirtasuojaustapa, jota käytettäessä V_DS saa nousta enintään annettuun arvoon maksimivirralla I_D. Tämä saattaa vaikuttaa transistorin hyötysuhteeseen ja pahimmassa tapauksessa jopa vaurioittaa sitä. Kuvassa 4 näytetään miten NCP51750MNTXG tarkkailee transistorin (Q1) V_DS-jännitettä DESAT-nastan sekä komponenttien R1 ja D1 kautta.

Kuva 4: NCP51705MNTXG-laitteen DESAT-toiminto mittaa V_DS-arvoa I_D-maksimien aikana tunnistaakseen poikkeavan toiminnan ja näin huolehtii ylivirtasuojauksesta. (Kuvan lähde: ON Semiconductor)

NCP51705MNTXG-hilaohjaimessa on myös säädettävä UVLO. Tämä on SiC-transistoreita käytettäessä tärkeä toiminto, sillä kytkentäkomponentin lähdön tulisi pysyä estettynä, kunnes V_DD ylittää tietyn kynnysarvon. Jos ohjaimen sallitaan kytkeä transistori liian alhaisella V_DD-jännitteellä, laite voi vaurioitua. NCP51705MNTXG-laitteen säädettävä UVLO sekä suojaa kuormaa että varmistaa ohjaimelle, että V_DD ylittää kytkentäkynnyksen. UVLO-kytkentäkynnys määritetään yhdellä UVSET-nastan ja SGND-maatason välisellä vastuksella (kuva 5).

Kuva 5: SiC-transistorin NCP51705MNTXG UVLO-kytkentäkynnyksen määrittää UVSET-vastus R_UVSET, joka valitaan halutun UVLO-kytkentäjännitteen V_ON perusteella. (Kuvan lähde: ON Semiconductor)

Invertterien digitaalinen erotus

Invertterien suunnittelussa täytyy lopuksi vielä varmistaa, että ajoneuvon elektroniikan matalajännitepuoli on erotettu invertterin kautta kulkevista suurista jännitteistä ja virroista (kuva 2 edellä). Koska HV-hilaohjaimia ohjaava mikroprosessori sijaitsee matalajännitepuolella, digitaalisten signaalien täytyy kuitenkin päästä kulkemaan erotuksen läpi mikroprosessorilta hilaohjaimille. ON Semiconductor tarjoaa myös tähän sopivan komponentin NCID9211R2, joka on nopea, kaksikanavainen ja kaksisuuntainen keraaminen digitaalierotin.

NCID9211R2 on galvaanisesti erotettu ja kaksisuuntainen digitaalierotin, joka päästää digitaaliset signaalit kulkemaan järjestelmien välillä ilman, että maasilmukat tai vaaralliset jännitteet pääsevät johtumaan. Laitteen huippuerotus on jopa 2000 volttia_peak, yhteismuotojännitteen vaimennus 100 kilovolttia/millisekunti (kV/ms) ja datansiirtonopeus 50 megabittiä sekunnissa (Mbit/s).

Estolaitteena käytetään sirun ulkopuolelle sijoitettuja keraamisia kondensaattoreita (katso kuva 6).

Kuva 6: Yksi ON Semiconductorin NCID9211R2-digitaalierottimen kanava. Estolaitteena käytetään sirun ulkopuolelle sijoitettuja kondensaattoreita. (Kuvan lähde: ON Semiconductor)

Digitaaliset signaalit lähetetään erotuksen yli käyttäen OOK-modulointia (ON-OFF Keying). Lähetinpuolen V_IN-tulon loogista tilaa moduloidaan korkeataajuisella kantosignaalilla. Näin syntyvä signaali vahvistetaan ja lähetetään estolaitteelle. Vastaanotinpuoli tunnistaa estolaitteen signaalin ja demoduloi sen käyttäen verhokäyräilmaisua (kuva 7). Lähtösignaali määrittää V_O-lähdön loogisen tilan, kun lähdön aktivointitulon EN arvo on ylhäällä. V_O-jännite palautuu korkeaimpedanssiseen alhaiseen tilaan, kun lähettimen tehonsyöttö on kytketty pois päältä tai V_IN-tulo on katkaistu.

Kuva 7: NCID9211-digitaalierotin käyttää OOK-modulointia digitaalisen tiedon lähettämiseen erotuksen yli. (Kuvan lähde: ON Semiconductor)

Yhteenveto

SiC-tehotransistorien käyttö on hyvä ratkaisu erittäin korkean hyötysuhteen ja erittäin korkean tehotiheyden inverttereihin, mutta niiden sähköteknisiin ominaisuuksiin liittyy hilaohjainten ja laitteiden suojauksen osalta omat uniikit suunnitteluhaasteensa. Näiden suunnitteluhaasteiden lisäksi on varmistettava, että suunniteltu invertteri erottaa suurjännitepuolen tehokkaasti ajoneuvon herkästä matalajännite-elektroniikasta.

Kuten artikkelissa on edellä esitetty, ON Semiconductor tarjoaa valikoiman SiC-transistoreja, erikoishilaohjaimia ja digitaalierottimia, jotka auttavat suunnittelijoita vastaamaan inverttereihin liittyviin vaatimuksiin ja löytämään paremman tasapainon modernien sähköajoneuvojen pitkän ajomatkan ja hyvän suorituskyvyn kesken.