Häviöiden vähentäminen, hyötysuhteen parantaminen ja lämpötila-alueen laajentaminen suurtehosovelluksissa

Paljon tehoa vaativien sovellusten suunnittelijat tarvitsevat pienempiä, kevyempiä ja paremmalla hyötysuhteella toimivia tehonmuuntimia, jotka kestävät korkeampia jännitteitä ja lämpötiloja. Tämä pätee erityisesti sähköajoneuvojen kaltaisiin käyttökohteisiin, joissa tällaisilla parannuksilla saavutetaan nopeampi lataus ja pidempi toimintamatka. Suunnittelijat voivat saavuttaa nämä parannukset käyttämällä tehomuuntimia, jotka perustuvat laajan kaistaeron (WBG) teknologioihin, kuten piikarbidiin (SiC).

Piikomponentteihin (Si) verrattuna ne toimivat korkeammilla jännitteillä ja painavat vähemmän, mutta niillä on kuitenkin vastaava teholuokitus. Ne toimivat myös korkeammissa lämpötiloissa, mikä vähentää tarvetta jäähdytysjärjestelmälle. SiC-komponentit pystyvät toimimaan korkeammalla kytkentätaajuudella, minkä ansiosta voidaan käyttää pienempiä passiivikomponentteja, jotka vähentävät muuntimen kokoa ja painoa. SiC-teknologiaa kehitetään kuitenkin jatkuvasti, ja viime aikoina on saavutettu pienempi johtotilan resistanssi, mikä edelleen vähentää tehohäviöitä.

Tässä artikkelissa käsitellään lyhyesti piikarbidin etuja piihin verrattuna käyttämällä esimerkkinä sähköajoneuvoja. Sen jälkeen artikkelissa käsitellään piikarbidin kehitysaskeleita, esitellään ROHM Semiconductor ‑yrityksen neljännen sukupolven SiC MOSFET ‑transistorit ja havainnollistetaan, miten suunnittelijat voivat niiden avulla vähentää tehohäviöitä, kustannuksia ja tarvittavaa pinta-alaa.

Miksi käyttää piikarbidia?

Sähköajoneuvot tarvitsevat enemmän akkukapasiteettia pidempää toimintamatkaa varten. Tähän trendiin liittyen akkujännitteitä ollaan nostamassa 800 volttiin latausajan lyhentämiseksi. Tämän seurauksena sähköajoneuvojen suunnittelijat tarvitsevat laitteita, jotka kestävät näitä korkeampia jännitteitä ja vähentävät samalla sähköhäviöitä ja painoa. ROHM Semiconductor ‑yrityksen neljännen sukupolven SiC MOSFET ‑transistoreiden häviöt ovat pienempiä korkeamman jännitetoleranssin ja pienempien johtumislämpö- ja kytkentähäviöiden ansiosta, minkä lisäksi ne ovat myös pienempiä.

Piikarbidi, joka on WBG-puolijohde, tarjoaa poikkeuksellisen korkean hyötysuhteen suurjännitteisissä virrankytkentäsovelluksissa verrattuna Si MOSFET ‑teknologiaan. Piikarbidin ja piin fyysisten ominaisuuksien vertailu osoittaa, että tämä parannus johtuu viidestä fyysisestä ominaisuudesta: läpilyönnin aiheuttava sähkökentän voimakkuus, energiarako, lämmönjohtavuus ja sulamispiste (kuva 1).

Kuva 1: Kuvassa esitetään piikarbidin edut verrattuna Si MOSFET ‑transistoreihin viiden fyysisen ominaisuuden perusteella. (Kuvan lähde: ROHM Semiconductors)

Piikarbidilla läpilyönnin aiheuttava sähkökentän voimakkuus on kymmenen kertaa suurempi kuin piillä, minkä ansiosta voidaan suunnitella komponentteja, joiden läpilyöntijännite on korkeampi ja jotka ovat samalla ohuempia. Piikarbidin laajempi kaistaero mahdollistaa komponentin käytön paljon korkeammissa lämpötiloissa. Korkeampi lämmönjohtavuus vähentää komponentin jäähdyttämistarvetta, kun taas korkeampi sulamispiste laajentaa käyttölämpötila-aluetta. Ja viimeisenä piikarbidin korkeampi kyllästettyjen elektronien kenttänopeus mahdollistaa korkeammat kytkentätaajuudet ja matalammat kytkentähäviöt. Nämä korkeammat kytkentätaajuudet vaativat pienempiä suodattimia ja muita passiivisia komponentteja, mikä vähentää kokoa ja painoa entisestään.

MOSFET-transistorien kehitys

Alkuperäisissä SiC MOSFET ‑komponenteissa käytettiin planaarista rakennetta, jossa komponentin hila ja kanava ovat puolijohteen pinnalla. Planaaristen komponenttien pakkaustiheys on rajallinen, koska ratkaisuiden kokoa voidaan pienentää komponentin saannon parantamiseksi vain rajallisesti. Yhden ja kahden kanavaportin MOSFET-transistoreilla voidaan saavuttaa korkeampi pakkaustiheys (kuva 2).

Kuva 2: Trench MOSFET ‑transistoreilla saavutetaan korkeampi pakkaustiheys asettamalla komponentin elementit pystysuoraan. (Kuvan lähde: ROHM Semiconductor)

Kuten muutkin MOSFET-transistorit, trench MOSFET ‑solu sisältää nielun, hilan ja lähteen, mutta se on järjestetty pystysuoraan. Kenttävaikutus muodostaa kanavan pystysuunnassa, samansuuntaisesti hilan kanavaportin kanssa. Virta kulkee pystysuunnassa lähteestä nieluun. Verrattuna planaariseen komponenttiin, joka levittäytyy vaakasuunnassa ja vie varsin paljon pinta-alaa, tämä rakenne on erittäin kompakti.

Yhden kanavaportin rakenteessa käytetään yhden hilan kanavaporttia. Kahden kanavaportin rakenteessa sekä hilalla että lähteellä on kanavaportti. ROHM Semiconductor siirtyi kahden kanavaportin rakenteeseen 3. sukupolven SiC MOSFET ‑transistoreissaan. 4. sukupolven malli on parantanut kahden kanavaportin rakennetta pienentämällä solukokoa, mikä vähentää entisestään johtotilan resistanssia ja loiskapasitanssia. Tämän ansiosta tehohäviöt ovat paljon pienemmät, ja näitä pienempiä piikarbidikomponentteja voidaan käyttää kustannustehokkaampaan järjestelmäsuunnitteluun.

Matalampi MOSFET-transistorin johtotilan resistanssi voi heikentää sen kykyä kestää oikosulkuja. 4. sukupolven SiC MOSFET ‑transistori tarjoaa kuitenkin matalamman johtotilan resistanssin uhraamatta oikosulun sietoaikaa, mikä on merkittävä etu näille komponenteille aina kun vaaditaan sekä korkeaa hyötysuhdetta että hyvää oikosulkujen sietokykyä.

Häviöiden ymmärtäminen

Hakkurimuuntimen häviöt ovat peräisin useista lähteistä. Aktiivisiin laitteisiin liittyviä lähteitä ovat johtuminen, kytkentä ja runkodiodihäviöt (kuva 3).

Kuva 3: Kuvassa on kaavio DC/DC-jännitteenalennusmuuntimesta, joka on merkitty kytkentäaaltomuotojen ja niihin liittyvien häviöaaltomuotojen esittämiseksi. (Kuvan lähde: ROHM Semiconductor)

Jännitteenalennusmuunnin on toteemipaalun mallinen ja se käyttää yläpuolen (S_H) ja alapuolen (S_L) MOSFET-kytkimiä. Kytkimiä ohjataan epätahdissa siten, että vain yksi johtaa kerrallaan. Hilaohjauksen aaltomuodot (V_GSH ja V_GSL) näyttävät amplitudivaiheet, jotka johtuvat laitteen loiskapasitanssien varausintervalleista. Molempien laitteiden nielu-lähde-jännite (V_DSH, V_DSL) ja nieluvirta (I_DH, I_DL) esitetään. Kun laite on johtotilassa, V_DS on matala. Kun laite ei ole johtotilassa, V_DS on korkea. Kun S_H on johtotilassa, nieluvirta kasvaa lineaarisesti samalla kun se varaa induktiokelan magneettikentän. Tänä aikana kanavan vastuksen läpi kulkeva virta synnyttää jännitteen kanavan ylitse, mistä aiheutuu johtumishäviöitä (P_COND), jotka ovat verrannollisia virran neliöön ja kanavan johtotilan resistanssiin. Ajanjaksoina, joina laite vaihtaa tilaa, jännite ja virta eivät ole nollia, ja teho dissipoituu laitteessa suhteessa jännitteeseen, virtaan, kytkentäsiirtymäaikaan ja kytkentätaajuuteen. Nämä ovat kytkentähäviöitä.

Vastaava tilanne toistuu, kun S_L on johtotilassa. Tässä tapauksessa virta vähenee lineaarisesti, koska induktiokelaan varastoitu energia purkautuu alapuolen laitteen nieluvirtana. Kanavan resistanssi dissipoi jälleen tehoa johtumishäviönä. Huomaa, että alapuolen laitteen V_DSL on lähellä nollaa, ennen kuin virta muuttuu nollaksi, joten tähän syklin osaan ei liity kytkentähäviöitä.

Palautumishäviö (P_Qrr) johtuu laitteiden runkodiodin palautumisesta. Yksinkertaisuuden vuoksi se esitetään vain yläpuolella.

P_body on laitteiden runkodiodin johtuminen. Tämä häviö muodostuu virrasta, joka johtuu alapuolen laitteen runkodiodin läpi.

Kokonaistehohäviö on kaikkien näiden komponenttien summa, ottaen huomioon molemmat transistorit.

SiC MOSFET ‑transistorien 4. sukupolven parempi suorituskyky

Si IGBT ‑transistorin sekä 3. ja 4. sukupolven SiC MOSFET ‑transistorien suorituskykyvertailu suoritettiin käyttämällä 5 kilowatin (kW) kokosiltainvertteriä (kuva 4). Tässä kokosilta-mallisessa piirissä kytkinlaitteet on kytketty rinnan, mikä mahdollistaa korkeamman virtakapasiteetin. Kokosilta käyttää yhteensä kahdeksaa laitetta. Nämä kahdeksan laitetta esitetään vasemmassa kuvassa asennettuina jäähdytyselementtiin. Piirin hyötysuhdetta arvioitiin käyttämällä alkuperäistä IGBT-transistoria sekä 3. ja 4. sukupolven MOSFET-transistoreja. Invertteri toimii 40 kilohertsin (kHz) kytkentätaajuudella SiC MOSFET ‑transistoreiden kanssa ja 20 kHz:n taajuudella IGBT-transistorin kanssa.

Kuva 4: Kuvassa esitetään 5 kW:n invertteri ilman tuuletinta ja sen piirikaavio. Tätä alun perin 20 kHz:n taajuudella toimivia IGBT-piitransistoreja varten suunniteltua piiriä käytettiin 40 kHz:n taajuudella sekä 3. että 4. sukupolven SiC MOSFET ‑transistorien kanssa. Kaikkien kolmen puolijohdetyypin suorituskykyä verrattiin keskenään. (Kuvan lähde: ROHM Semiconductor)

3. sukupolven laite oli ROHM Semiconductorin SCT3030AL, jonka nimellisjännite on 650 volttia ja jonka kanavan resistanssi (R_DS(ON)) on 30 milliohmia (mΩ). 4. sukupolven MOSFET-transistori oli ROHM Semiconductorin SCT4026DEC11. 4. sukupolven laitteen jänniteluokitus nousi 750 volttiin. Sen R_DS(ON) on 26 mΩ, mikä on 13 % alhaisempi ja pienensi hieman johtumishäviöitä.

Molempien SiC MOSFET ‑transistorien häviöiden vertailu alkuperäisen IGBT-transistorin häviöihin osoittaa parannuksen hyötysuhteessa (kuva 5).

Kuva 5: 4. sukupolven SiC MOSFET ‑transistorit vähensivät häviöitä merkittävästi verrattuna alkuperäiseen Si IGBT ‑transistoriin ja 3. sukupolven laitteeseen. (Kuvan lähde: ROHM Semiconductor)

4. sukupolven laite vähensi johtumishäviöitä (sininen) 10,7 watista 9,82 wattiin verrattuna 3. sukupolven laitteeseen. Kytkentähäviöissä (oranssi) saavutettiin merkittävämpi vähennys, sillä ne laskivat 16,6 watista 8,22 wattiin.

Muita parannuksia 4. sukupolven laitteissa ovat esimerkiksi paremmat hilaohjausominaisuudet. 4. sukupolven SiC MOSFET ‑transistoreja voidaan ohjata 15 voltilla, kun taas 3. sukupolven laitteet vaativat 18 volttia. Tämä tarkoittaa, että piikomponenteille suunnitellut piirit voivat käyttää 4. sukupolven MOSFET-transistoreita korvaavina komponentteja ilman muita muutoksia. Lisäksi 4. sukupolven SiC MOSFET ‑transistoreille suositeltu ohjausjännite, kun laite ei ole johtamistilassa, on 0 volttia. Ennen 4. sukupolven tuotteita hila-lähdejännite tarvitsi ei-johtamistilassa negatiivisen esijännitteen laitteen automaattisen käynnistymisen estämiseksi. 4. sukupolven laitteissa kynnysjännite (Vth) on kuitenkin suunniteltu korkeaksi automaattisen käynnistymisen estämiseksi, jolloin negatiivista esijännitettä ei tarvita.

4. sukupolven ratkaisut

ROHM Semiconductorin 4. sukupolven SiC MOSFET ‑ratkaisut voidaan jakaa kahteen ryhmään komponentin koteloinnin mukaan. SCT4026DEC11, jota käsiteltiin edellä, on 750 voltin, 56 ampeerin (A) (+25 °C) / 29 A:n (+100 °C), 26 mΩ:n SiC MOSFET kolmijalkaisessa TO-247N-kotelossa. Esimerkki vaihtoehtoisesta nelijalkaisesta kotelosta on SCT4013DRC15, joka on 750 V:n, 105 A:n (+25 °C) / 74 A:n (+100 °C), 13 mΩ:n komponentti nelijalkaisessa TO-247-4L-kotelossa.

Nelijalkainen kotelo lisää ylimääräisen jalan, joka parantaa MOSFET-transistorin kytkentänopeutta. Perinteinen kolminastainen TO-247N-kotelo ei eristä hilaohjainta korkean nieluvirran lähdejohtimeen synnyttämästä loisinduktanssista. Hilajännite syötetään hilan ja lähteen nastojen välille. Sirun tehollinen hilajännite laskee lähdeliittimen loisinduktanssin aiheuttaman jännitehäviön (V_L) vuoksi, mikä laskee kytkentänopeutta (kuva 6).

Kuva 6: TO-247-4L:n neljäs nasta eristää hilaohjaimen virtalähdenastoista Kelvin-kytketyllä ylimääräisellä liitinnastalla. (Kuvan lähde: ROHM Semiconductor)

Nelinastainen TO-247-4L-kotelo jakaa erilleen hilaohjaimen ja virtalähdenastat, jotka yhdistävät hilaohjaimen sisäisesti suoraan lähteeseen. Tämä minimoi lähdenastan loisinduktanssin vaikutukset. Hilaohjaimen suora kytkeminen sisäiseen lähdeliitäntään mahdollistaa SiC MOSFET ‑komponenttien kytkentänopeuden maksimoimisen, mikä vähentää kokonaiskytkentähäviötä (johtamistilaan ja pois kytkeminen) jopa 35 % verrattuna perinteisiin kolminastaisiin TO-247N-koteloihin.

4. sukupolven SiC MOSFET ‑transistoreiden toinen poikkeuksellinen ominaisuus on niiden jänniteluokitus. Komponentteja on saatavana jänniteluokituksella 750 volttia ja 1200 volttia. Kahden tähän mennessä käsitellyn komponentin jänniteluokitus on 750 volttia. Korkeamman jännitteen sovelluksiin sopii SCT4062KEC11, joka on 1200 V:n, 62 mΩ:n, 26 A:n (+25 °C) / 18 A:n (+100 °C) N-kanavan MOSFET-SiC kolmijalkaisessa TO-247N-kotelossa, kun taas SCT4036KRC15 on 1200 V:n, 36 mΩ:n, 43 A:n (+25 °C) / 30 A:n (+100 °C) N-kanavan MOSFET nelijalkaisessa TO-247-4L-kotelossa. Tällä hetkellä saatavana on kymmenen 4. sukupolven SiC MOSFET ‑transistoria, joiden virtaluokitukset ovat 26–105 A +25 °C:ssa. Niiden R_DS(ON)-arvot ovat 13–62 mΩ.

Sähköajoneuvosovellukset

4. sukupolven SiC MOSFET ‑transistorien ominaisuudet sopivat hyvin sähköajoneuvosovelluksiin. Esimerkkinä akkukäyttöiset sähköajoneuvot 400 tai 800 voltin jännitteellä (kuva 7).

Kuva 7: Tyypillisiä 4. sukupolven SiC MOSFET ‑sovelluksia akkukäyttöisessä sähköajoneuvossa ja sen ulkoisissa lisävarusteissa. (Kuvan lähde: ROHM Semiconductor)

Kuvassa 7 esitetään 400 tai 800 voltin akkujännitettä käyttävän akkukäyttöisen sähköajoneuvon lohkokaavio, joka tukee sekä kaksisuuntaista että nopeaa latausta. Ajoneuvoon asennettu laturi (OBC) sisältää toteemipaalutyyliset tehokertoimen korjauspiirit (PFC) ja kaksisuuntaisen kokosilta-mallisen resonoivan CLLC-muuntimen (kondensaattori, induktiokela, induktiokela, kondensaattori). Ulkoinen DC-pikalaturi lataa akkua suoraan. Akku syöttää invertteriä, joka muuntaa tasavirran kolmivaiheiseksi vaihtovirraksi moottoria varten. Kaikissa näissä piireissä käytetään MOSFET-transistoreita erilaisissa piirikonfiguraatioissa tarvittavien tehotasojen mahdollistamiseksi. 4. sukupolven SiC MOSFET ‑transistorit ovat tärkeitä, koska ne pienentävät piirin fyysistä kokoa ja kasvattavat sen jänniteluokitusta vähentäen samalla häviöitä ja kustannuksia.

Yhteenveto

4. sukupolven SiC MOSFET ‑transistorit ovat tärkeitä tehokytkinkomponentteja sellaisissa suurjännite- ja suurtehosovelluksissa kuten sähköajoneuvot, datakeskukset ja tukiasemat. Kuten edellä on esitetty, niiden ainutlaatuinen rakenne parantaa huomattavasti tehonmuunnoksen hyötysuhdetta häviöitä vähentämällä ja pienentämällä samalla pinta-alaa ja kustannuksia.

Suositeltavaa luettavaa:

1. Effective Implementation of SiC Power Devices for Longer-Range Electric Vehicles
2. Miten käyttää oikeita tehokomponentteja oikealla tavalla teollisuuden virtalähdevaatimusten täyttämiseksi