Miten luodaan tehokkaampi ja luotettavampi energiainfrastruktuuri ja samalla lasketaan kustannuksia

Energiainfrastruktuurien suunnittelussa – sähköautojen latausasemista ja aurinkoinverttereistä energian säilytykseen ja UPS-järjestelmiin – on jatkuvana haasteena pienentää hiilijalanjälkeä, parantaa luotettavuutta ja vähentää kustannuksia.

Näiden tavoitteiden saavuttamiseksi suunnittelijoiden on tutkittava tarkkaan, miten he voivat optimoida tehonmuuntoratkaisuja johtavuus- ja kytkentähäviöiden vähentämiseksi, hyvän termisen suorituskyvyn säilyttämiseksi, kokonaiskoon pienentämiseksi ja sähkömagneettisten häiriöiden (EMI) vähentämiseksi. Heidän on myös varmistettava, että valittu ratkaisu täyttää tuotanto-osien hyväksymismenettelyn (PPAP) vaatimukset ja voi saada AEC-Q101-hyväksynnän.

Suunnittelijat voivat vastata näihin haasteisiin käyttämällä erilaisia piikarbidista (SiC) valmistettuja MOSFET-tehotransistoreita, SiC schottky -diodeja, hilaohjainmikropiirejä ja tehomoduuleja.

Tässä artikkelissa tarkastellaan lyhyesti, miten SiC-tekniikka voi parantaa tehokkuutta ja luotettavuutta sekä vähentää kustannuksia perinteisiin pii (Si) -ratkaisuihin verrattuna. Siinä tutustutaan SiC-kotelo- ja järjestelmäintegraatiovaihtoehtoihin, jonka jälkeen artikkelissa esitellään useita käytännön esimerkkejä valmistajalta onsemi. Esimerkkien avulla näytetään, miten suunnittelijat voivat soveltaa niitä parhaiten SiC MOSFET -tehotransistorien ja hilaohjainten suorituskyvyn optimointiin ja näin vastata energiainfrastruktuurin haasteisiin.

SiC ja Si

Piikarbidi on laajan kaistaeron (WBG) materiaali, jonka kaistaero on 3,26 elektronivolttia (eV) piin kaistaeroon 1,12 eV verrattuna. Se tarjoaa myös 10 kertaa suuremman läpilyöntikentän, yli kolminkertaisen lämmönjohtavuuden ja sitä voidaan käyttää paljon korkeammissa lämpötiloissa kuin piitä. Näiden ominaisuuksien ansiosta SiC soveltuu hyvin energiainfrastruktuurisovelluksiin (taulukko 1).

Taulukko 1: SiC soveltuu 4H-SiC-materiaaliominaisuuksien ansiosta hyvin energiainfrastruktuurisovelluksiin piihin verrattuna. (Kuvan lähde: onsemi)

Suuremman läpilyöntikentän ansiosta ohuemmilla SiC-laitteilla voidaan saavuttaa sama jänniteluokitus kuin paksummilla Si-laitteilla. Ohuemmilla SiC-laitteilla on vastaavasti alhaisempi johtamisresistanssi ja korkeampi virtakapasiteetti. SiC:n liikkuvuusparametri on samaa suuruusluokkaa kuin Si:llä, joten molemmat materiaalit soveltuvat korkeataajuisiin tehomuunnoksiin, mikä mahdollistaa kompaktin koon. Korkeampi lämmönjohtavuus tarkoittaa, että SiC-laitteiden lämpötilanousu on vähäisempää korkeammilla virtatasoilla. Kotelotekijät, kuten johdinliitokset, rajoittavat SiC-laitteiden käyttölämpötilaa, mutta SiC-materiaalin ominaisuudet eivät. Tämän vuoksi optimaalisen kotelon valinta on tärkeä seikka SiC-teknologiaa käyttäville suunnittelijoille.

SiC on materiaaliominaisuuksiensa ansiosta erinomainen vaihtoehto moniin korkeajännitteisiin, huippunopeisiin, suurivirtaisiin korkean tiheyden tehomuunnosrakenteisiin. Monissa tapauksissa kyse ei ole siitä, käytetäänkö SiC-teknologiaa, vaan siitä, mikä SiC-kotelotekniikka tarjoaa optimaalisen suorituskyvyn ja hinnan.

Suunnittelijoilla on kolme peruskotelovaihtoehtoa SiC-tehotekniikan käyttöön: erillislaitteet, älykkäät tehomoduulit (IPM) tai integroidut tehomoduulit (PIM). Kukin niistä tarjoaa erilaiset hinta- ja suorituskykyominaisuudet (taulukko 2). Esimerkiksi:

• Erillislaitteita suositaan yleensä silloin, kun hinta on tärkein valintakriteeri, kuten kuluttajasovelluksissa. Ne tukevat myös hankinnan hajauttamista kahdelle valmistajalle (dual sourcing) ja ovat pitkäikäisiä.
• IPM-ratkaisut lyhentävät suunnitteluaikaa, tarjoavat korkeimman luotettavuuden ja ovat kompaktein ratkaisu kohtuullisille tehotasoille.
• PIM-mallit sopivat suurempitehoisiin malleihin ja tarjoavat hyvän tehotiheyden. Ne tarjoavat kohtuullisen nopean markkinoilletuontiajan, paljon suunnitteluvaihtoehtoja ja enemmän mahdollisuuksia dual sourcing -hankintaan verrattuna IPM-malleihin.

Taulukko 2: Integrointiominaisuuksien ja -kompromissien vertailu erillis-, IPM- ja PIM-SiC-koteloratkaisujen välistä valintaa varten. (Kuvan lähde: onsemi)

Si/SiC IPM -hybridimoduulit

Vaikka on mahdollista kehittää ratkaisuja, joissa käytetään pelkästään SiC-komponentteja, on joskus kustannustehokkaampaa käyttää Si/SiC-hybridimoduuleja. Esimerkiksi onsemin IPM-hybridimoduulin NFL25065L4BT lähdössä yhdistyvät neljännen sukupolven Si-IGBT-transistorit ja SiC-jännitteenkorotusdiodi. Ne tarjoavat lomitetun tehokertoimen korjauksen (PFC) tulovaiheen kuluttaja-, teollisuus- ja lääketieteellisiä sovelluksia varten (kuva 1). Tämä kompakti IPM sisältää optimoidun hilaohjaimen IGBT-transistoreita varten sähkömagneettisten häiriöiden ja häviöiden minimoimiseksi. Integroituihin suojausominaisuuksiin kuuluvat alijännitelukitus, ylivirtakatkaisu, lämpövalvonta ja vikojen raportointi. Muita NFL25065L4BT-moduulin ominaisuuksia ovat:

• 600 voltin / 50 ampeerin (A) lomitettu kaksivaiheinen PFC
• Optimoitu 20 kilohertsin (kHz) kytkentätaajuudelle
• Alhainen lämpöresistanssi käyttäen alumiinioksidista valmistettua DBC (Direct Bond Copper) -substraattia
• Integroitu NTC (Negative Temperature Coefficient) -termistori lämpötilan monitorointia varten
• Erotusluokitus 2500 voltin rms / 1 minuutti.
• UL-sertifiointi

Kuva 1: IPM-moduuli NFL25065L4BT tarjoaa lomitetun PFC-vaiheen ja se käyttää lähdössä neljännen sukupolven Si-IGBT-transistoria ja SiC-jännitteenkorotusdiodia. (Kuvan lähde: onsemi)

SiC PIM-moduulit

Kun kohteena ovat aurinkoinvertterit, EV-latausasemat ja vastaavat sovellukset, joissa voidaan hyödyntää SiC-pohjaisen PIM-moduulia, suunnittelijat voivat valita moduulin NXH006P120MNF2PTG. Se maksimoi tehonsyötön, vaatii vähemmän tilaa ja tarjoaa pienemmän kokonaistilavuuden. Tämä moduuli koostuu 1200 voltin SiC MOSFET-puolisillasta 6 milliohmin (mΩ) vastuksella ja integroidusta NTC-termistorista F2-kotelossa (kuva 2). Kotelovaihtoehtoja ovat mm:

• Sisältää haluttaessa valmiiksi levitetyn TIM (Thermal Interface Material) -materiaalin
• Juotettavat nastat tai puristussovitenastat

Kuva 2: Integroitu tehomoduuli NXH006P120MNF2PTG käyttää F2-koteloa ja puristussovitenastoja. (Kuvan lähde: onsemi)

Näiden integroitujen tehomoduulien siirtymävyöhykkeen enimmäislämpötila on 175 celsiusastetta (°C), ja ne vaativat ulkoisen ohjauksen ja hilaohjaimet. Valinnainen puristussovitetekniikka, jota kutsutaan myös kylmähitsaukseksi, tarjoaa luotettavan liitännän nastojen ja piirilevyn pinnoitettujen läpivientiaukkojen välille. Puristussovitetekniikka mahdollistaa helpon kokoonpanon ilman juottamista sekä tarjoaa kaasutiiviin ja resistanssiarvoltaan alhaisen metalli-metalli-liitoksen.

SiC schottky -diodit

SiC schottky -diodeja voidaan käyttää sekä yhdessä IPM-moduulien kanssa että täysin erilliskomponenteista koostuvissa ratkaisuissa. Ne tarjoavat Si-diodeihin verrattuna paremman kytkentätehon ja korkeamman luotettavuuden. SiC schottky -diodeilla, kuten 1700 voltin / 25 ampeerin mallilla NDSH25170A, ei ole estosuunnan toipumisvirtaa. Niiden terminen suorituskyky on erinomainen ja niiden kytkentäominaisuudet eivät riipu lämpötilasta. Nämä tarkoittavat korkeampaa hyötysuhdetta, nopeampia kytkentätaajuuksia, korkeampia tehotiheyksiä, sähkömagneettisten häiriöiden vähenemistä ja helppoa rinnakkaiskäyttöä, jotka kaikki pienentävät ratkaisun kokoa ja vähentävät kustannuksia (kuva 3). NDSH25170A:n ominaisuuksiin kuuluvat:

• siirtymävyöhykkeen enimmäislämpötila 175 °C
• 506 millijoulen (mJ) vyörypurkausluokitus
• toistumaton virtapiikki jopa 220 A ja toistuvat virtapiikit jopa 66 A
• positiivinen lämpötilakerroin
• ei estosuunnan toipumisaikaa eikä myötäsuunnan toipumisaikaa
• AEC-Q101-hyväksyntä ja PPAP-tuki

Kuva 3: 1700 voltin/25 ampeerin SiC Schottky -diodilla NDSH25170A ei ole estosuunnan toipumisvirtaa. Sen terminen suorituskyky on erinomainen ja niiden kytkentäominaisuudet eivät riipu lämpötilasta. (Kuvan lähde: onsemi)

Erilliset SiC MOSFET -transistorit

Suunnittelijat voivat yhdistää erillisiä SiC schottky -diodeja onsemin 1200 V:n SiC MOSFET-transistoreihin, jotka tarjoavat myös paremman kytkentätehon, alhaisemman johtamisresistanssin ja suuremman luotettavuuden Si-laitteisiin verrattuna. SiC-MOSFET-transistoreiden kompakti sirukoko tarjoaa alhaisen kapasitanssin ja hilavarauksen. Alhainen kytkentävastus, pienempi kapasitanssi ja hilavaraus auttavat parantamaan järjestelmän tehokkuutta, mahdollistavat nopeammat kytkentätaajuudet, kasvattavat tehotiheyttä, vähentävät sähkömagneettisia häiriöitä (EMI) ja mahdollistavat pienemmät ratkaisukoot. Esimerkiksi NTBG040N120SC1 on luokiteltu 1200 voltille ja 60 ampeerille, ja se käyttää D2PAK-7L-pintaliitoskoteloa (kuva 4). Ominaisuuksiin kuuluvat:

• 106 nanocoulombin (nC) tyypillinen porttivaraus
• 139 pikofaradin (pF) tyypillinen lähtökapasitanssi
• 100 %:n vyörypurkaustestaus
• Siirtymävyöhykkeen enimmäislämpötila 175 °C
• AEC-Q100-hyväksyntä

Kuva 4: SiC MOSFET -transistorin NTBG040N120SC1 jänniteluokitus on 1200 volttia, virtaluokitus 60 ampeeria ja sen kytkentävastus on 40 mΩ. Se käyttää D2PAK-7L-pintaliitoskoteloa. (Kuvan lähde: onsemi)

SiC MOSFET -hilaohjain

SiC MOSFET -transistorien hilaohjaimet, kuten onsemin NCx51705 -sarja, tarjoavat korkeamman ohjausjännitteen kuin Si MOSFET -transistorien ohjaimet. SiC MOSFET -transistorin täydelliseen avaamiseen tarvitaan 18–20 voltin hilajännite, kun taas Si MOSFET -transistorin avaamiseen riittää alle 10 volttia. Lisäksi SiC MOSFET -transistorit vaativat -3 ... –5 voltin hilaohjauksen niiden sulkemiseksi. Suunnittelijat voivat käyttää SiC MOSFET -transistoreille optimoitua yksittäistä alapuolen suurnopeusohjainta NCP51705MNTXG 6 ampeerille (kuva 5). NCP51705MNTXG tarjoaa suurimman mahdollisen nimelliskäyttöjännitteen ja mahdollistaa alhaiset johtavuushäviöt. Se tarjoaa myös korkeat huippuvirrat kytkentähäviöiden minimoimiseksi avaamisen ja sulkemisen aikana.

Kuva 5: Yksinkertaistettu kaaviokuva, jossa kaksi NCP51705MNTXG-ohjainmikropiiriä (keskellä oikealla) ohjaa kahta SiC MOSFET -transistoria (oikealla) puolisiltatopologiassa. (Kuvan lähde: onsemi)

Suunnittelijat voivat käyttää integroitua latauspumppua käyttäjän valittavissa olevan negatiivisen jännitetason tuottamiseen, mikä lisää luotettavuutta, parantaa dv/dt-kestävyyttä ja nopeuttaa sammutusta. Erotetuissa malleissa ulkoisesti käytettävissä oleva 5 voltin taso voi syöttää jännitettä digitaalisten tai huippunopeiden optoerottimien toisiopuolelle. NCP51705MNTXG-ohjaimen suojaustoimintoihin sisältyvät ohjainpiirin siirtymävyöhykkeen lämpötilaan perustuva terminen katkaisu ja biasvirran alijännitelukituksen valvonta.

Evaluointikortit ja SiC-hilaohjauksen näkökohdat

Suunnittelijat voivat nopeuttaa NCP51705-piirin evaluointi- ja suunnitteluprosessia käyttämällä evaluointikorttia NCP51705SMDGEVB (EVB) (kuva 6). Evaluointikortti sisältää NCP51705-ohjaimen ja kaikki tarvittavat ohjainpiirit, mukaan lukien sisäisen digitaalierottimen ja mahdollisuuden juottaa mikä tahansa TO-247-koteloa käyttävä SiC tai Si-MOSFET. Evaluointikortti on suunniteltu käytettäväksi missä tahansa ala- tai yläpuolen tehokytkentäsovelluksessa. Kaksi tai useampi tällainen evaluointikortti voidaan konfiguroida toteemipaaluohjaimeksi.

Kuva 6: Evaluointikortissa NCP51705SMDGEVB on reikiä (ylhäällä vasemmalla) SiC- tai Si-MOSFET-transistoreiden liitäntää varten. Se sisältää NCP51705-ohjaimen (U1, keskellä vasemmalla) ja digitaalisen erotusmikropiirin (oikealla keskellä). (Kuvan lähde: onsemi)

Piirilevyn loisinduktanssin ja -kapasitanssin minimointi on tärkeää, kun hilaohjainta NCP51705 käytetään SiC MOSFET -transistorin kanssa (kuva 7). Joitakin piirilevyn layoutiin liittyviä näkökohtia ovat mm:

• NCP51705-ohjain tulisi sijoittaa mahdollisimman lähelle SiC MOSFET -transistoria. Nastojen VDD, SVDD, V5V, latauspumpun ja VEE-kondensaattorin sekä MOSFET-transistorin välisiin johtimiin tulee kiinnittää erityistä huomiota.
• Nastojen VEE ja PGND välisen johtimen tulee olla mahdollisimman lyhyt.
• dV/dt-arvoltaan korkeat johtimet on erotettava ohjaimen tulosta sekä DESAT-nastasta, jotta vältetään häiriöiden kytkeytymisen aiheuttamat virhetoiminnot.
• Jos ratkaisu altistuu korkeille lämpötiloille, siinä tulisi käyttää lämpöläpivientejä juotoskohtien ja ulkokerroksen välillä lämpöimpedanssin minimoimiseksi.
• Nastoissa OUTSRC, OUTSNK ja VEE tulee käyttää leveitä johtimia.

Kuva 7: Ohjaimelle NCP51705 suositeltava piirilevylayout SiC MOSFET -transistorien ohjaukseen loisinduktanssin ja -kapasitanssin minimoimiseksi. (Kuvan lähde: onsemi)

Yhteenveto

SiC-teknologialla on tärkeä rooli yhä useampien ja monipuolisempien energiainfrastruktuurisovellusten vaatimusten täyttämisessä. Suunnittelijat voivat käyttää nyt SiC-laitteita tehokkaampien korkeajännitteisten, huippunopeiden ja suurivirtaisten tehonmuuntoratkaisuiden suunnitteluun, mikä mahdollistaa pienemmät ratkaisukoot ja suuremmat tehotiheydet. Optimaalisen koteloteknologian valinta on kuitenkin tärkeää, jotta SiC-suunnittelusta saadaan suurin mahdollinen hyöty.

Kuten edellä on osoitettu, erillislaitteita, IPM- ja PIM-moduuleja valittaessa on otettava huomioon erilaisia suorituskykyä, markkinoilletuontiaikaa ja hintaa koskevia kompromisseja. Lisäksi käytettäessä erillislaitteita tai PIM-moduuleja SiC-hila-ohjaimen valinta ja optimaalinen piirilevylayout ovat ratkaisevia tekijöitä, jotta järjestelmä olisi luotettava ja tehokas.

Suositeltavaa luettavaa

1. SiC-transistorien käyttö hyötysuhteen parantamiseksi sähköajoneuvojen invertterien suunnittelussa
2. Kuinka varmistaa modulaaristen BESS-ratkaisujen turvallinen ja tehokas käyttö pistoliitettävillä akkunapaliittimillä