Projektowanie tranzystorów SiC MOSFET w celu poprawy sprawności przemienników trakcyjnych w pojazdach elektrycznych

Inżynierowie muszą osiągnąć kompromis pomiędzy osiągami i zasięgiem nowoczesnych pojazdów elektrycznych. Dynamiczniejsze przyspieszanie i wyższe prędkości podróżne wymagają częstszych i bardziej czasochłonnych postojów na doładowanie. Większy zasięg jest z kolei możliwy kosztem mniej dynamicznej jazdy. Aby zwiększyć zasięg, a jednocześnie zaoferować kierowcom wyższe osiągi, inżynierowie muszą zaprojektować układy napędowe, które zapewnią przekazanie jak największej ilości energii z akumulatorów do napędzanych kół. Równie ważna jest potrzeba utrzymania na tyle małych rozmiarów układu napędowego, aby mieścił się w pojeździe. Te dwojakie potrzeby wymagają komponentów o zarówno wysokiej sprawności, jak i wysokiej gęstości energii.

Kluczowym elementem w układzie napędowym pojazdu elektrycznego jest trójfazowy przemiennik źródła napięciowego (czyli „przemiennik trakcyjny”), który przekształca napięcie prądu stałego z akumulatorów w napięcie prądu zmiennego wymagane przez silnik lub silniki elektryczne pojazdu. Zbudowanie wydajnego przemiennika trakcyjnego ma kluczowe znaczenie dla znalezienia kompromisu między parametrami działania i zasięgiem, a jedną z kluczowych dróg do poprawy sprawności jest właściwe wykorzystanie urządzeń półprzewodnikowych o szerokiej przerwie energetycznej (WBG) wykonanych z węgliku krzemu (SiC).

W tym artykule opisano rolę przemiennika trakcyjnego w pojeździe elektrycznym. Następnie wyjaśniono, w jaki sposób zastosowanie tranzystorów polowych metalowo-półprzewodnikowych (MOSFET) wykonanych w technologii SiC może zapewnić sprawniejszy układ napędowy pojazdu elektrycznego niż układ wykorzystujący tranzystory bipolarne z izolowaną bramką (IGBT). Artykuł kończy się przykładem przemiennika trakcyjnego opartego na tranzystorach SiC MOSFET oraz wskazówkami projektowymi pozwalającymi zmaksymalizować sprawność urządzenia.

Czym jest przemiennik trakcyjny?

Przemiennik trakcyjny pojazdu elektrycznego przetwarza prąd stały dostarczany przez akumulatory wysokiego napięcia na prąd zmienny, który jest wymagany przez silnik elektryczny do wytworzenia momentu obrotowego niezbędnego do poruszania pojazdu. Parametry elektryczne przemiennika trakcyjnego mają znaczący wpływ na przyspieszenie pojazdu i jego zasięg.

Współczesne przemienniki trakcyjne są zasilane przez układy akumulatorów wysokiego napięcia 400V, a ostatnio także 800V. Przy natężeniu prądu przemiennika trakcyjnego wynoszącym 300A lub wyższym, urządzenie zasilane z systemu akumulatorów 800V jest w stanie dostarczyć ponad 200kW mocy. Wraz ze wzrostem mocy zmniejszają się rozmiary przemienników, co znacznie zwiększa gęstość mocy.

Pojazdy elektryczne z akumulatorami o napięciu 400V wymagają przemienników trakcyjnych z półprzewodnikami mocy o napięciu znamionowym w zakresie od 600 do 750V, natomiast pojazdy o napięciu 800V wymagają półprzewodników o napięciu znamionowym w zakresie od 900 do 1200V. Komponenty mocy stosowane w przemiennikach trakcyjnych muszą również być w stanie wytrzymać szczytowe wartości prądu zmiennego o natężeniu ponad 500A przez 30s oraz maksymalny prąd zmienny o natężeniu 1600A przez 1ms. Ponadto, tranzystory przełączające i sterowniki bramek zastosowane w urządzeniu muszą być w stanie obsłużyć tak duże obciążenia przy jednoczesnym zachowaniu wysokiej sprawności przemiennika trakcyjnego (tabela 1).

Tabela 1: typowe wymagania dla przemienników trakcyjnych w 2021 r.; gęstość energii wykazuje 250% wzrost w porównaniu z rokiem 2009. (Źródło ilustracji: Steven Keeping)

Przemiennik trakcyjny składa się zazwyczaj z trzech elementów półmostkowych (przełączniki po stronie wysokiej i niskiej), po jednym dla każdej fazy silnika, ze sterownikami bramek sterującymi przełączaniem każdego tranzystora po stronie niskiej. Cały zespół musi być galwanicznie odizolowany od obwodów niskiego napięcia (LV) zasilających pozostałe układy pojazdu (ilustracja 1).

Ilustracja 1: pojazd elektryczny wymaga trójfazowego przemiennika źródła napięciowego (przemiennika trakcyjnego) do przetwarzania prądu stałego z akumulatora o wysokim napięciu na prąd zmienny wymagany przez silnik lub silniki elektryczne pojazdu. Układ wysokiego napięcia (HV), łącznie z przemiennikiem trakcyjnym, jest odizolowany od konwencjonalnej instalacji 12V pojazdu. (Źródło ilustracji: ON Semiconductor)

Przełączniki w przykładzie pokazanym na ilustracji 1 są tranzystorami IGBT. Były one popularnym wyborem dla przemienników trakcyjnych, ponieważ są w stanie obsługiwać wysokie napięcia, przełączają się szybko, oferują dobrą wydajność i są stosunkowo niedrogie. Jednak wraz ze spadkiem cen i wzrostem dostępności handlowej tranzystorów mocy SiC MOSFET inżynierowie zaczęli zwracać się ku tym komponentom ze względu na ich znaczące zalety w porównaniu z tranzystorami IGBT.

Zalety tranzystorów SiC MOSFET dla wysokosprawnych sterowników bramek

Główne zalety tranzystorów SiC MOSFET w porównaniu z konwencjonalnymi tranzystorami krzemowymi (Si) MOSFET i IGBT wynikają z zastosowania w tych urządzeniach podłoża półprzewodnikowego o szerokiej przerwie energetycznej(WBG). Tranzystory Si MOSFET posiadają przerwę energetyczną 1,12eV w porównaniu z 3,26eV w przypadku tranzystorów SiC MOSFET. Oznacza to, że tranzystor o szerokiej przerwie energetycznej (WBG) może wytrzymać znacznie wyższe napięcia przebicia niż urządzenia w technologii Si, jak również wypadkowe napięcie pola przebicia około dziesięć razy większe niż w Si. Wysokie napięcie pola przebicia pozwala na zmniejszenie grubości urządzenia dla danego napięcia, obniżając rezystancję włączenia (R_DS(ON)), a tym samym zmniejszając straty przy przełączaniu i zwiększając zdolność przewodzenia prądu.

Kolejną kluczową zaletą technologii SiC jest przewodność cieplna, która jest około trzykrotnie wyższa niż w przypadku krzemu. Wyższa przewodność cieplna skutkuje mniejszym wzrostem temperatury złącza (T_j) przy danych stratach mocy. Tranzystory SiC MOSFET mogą również tolerować wyższą maksymalną temperaturę złącza (T_j(max)) niż tranzystory Si. Typowa wartość T_j(max) dla tranzystora Si MOSFET wynosi 150˚C. Urządzenia SiC wytrzymują T_j(max) do 600˚C, chociaż wartość znamionowa urządzeń komercyjnych wynosi zwykle od 175 do 200˚C. Tabela 2 zawiera porównanie właściwości Si i 4H-SiC (krystalicznej postaci SiC powszechnie używanej do produkcji tranzystorów MOSFET).

Tabela 2: pole przebicia, przewodność cieplna i maksymalna temperatura złącza sprawiają, że tranzystory SiC MOSFET są lepszym wyborem niż tranzystory Si w przypadku zastosowań wymagających przełączania dużych prądów i wysokiego napięcia. (Źródło ilustracji: ON Semiconductor)

Wysokie napięcie przebicia, niska rezystancja R_DS(ON), wysoka przewodność cieplna i wysoka temperatura T_j(max) pozwalają tranzystorom SiC MOSFET na obsługę znacznie wyższych prądów i napięć w porównaniu do tranzystorów Si MOSFET o podobnych rozmiarach.

Tranzystory IGBT są również w stanie obsługiwać wysokie napięcia i prądy, a przy tym są zwykle tańsze niż tranzystory SiC MOSFET - jest to kluczowy powód, dla którego znalazły one uznanie w projektach przemienników trakcyjnych. Wadą tranzystorów IGBT, szczególnie gdy projektant chce zmaksymalizować gęstość energii, jest ograniczenie maksymalnej częstotliwości pracy ze względu na ich „prąd ogonowy” i stosunkowo powolne wyłączanie. Z kolei tranzystory SiC MOSFET są w stanie obsługiwać przełączanie przy wysokiej częstotliwości na równi z Si MOSFET, ale mają zdolność obsługi napięcia i prądu tranzystorów IGBT.

Większa dostępność tranzystorów SiC MOSFET

Do niedawna stosunkowo wysoka cena tranzystorów SiC MOSFET powodowała, że ich zastosowanie było ograniczone do przemienników trakcyjnych dla luksusowych pojazdów elektrycznych, ale spadające ceny spowodowały, że tranzystory SiC MOSFET stały się opcją dla szerszej gamy produktów.

Dwa przykłady tranzystorów mocy SiC MOSFET nowej generacji pochodzą z firmy ON Semiconductor. Są to NTBG020N090SC1 i NTBG020N120SC1. Zasadnicza różnica pomiędzy tymi urządzeniami polega na tym, że pierwsze z nich charakteryzuje się maksymalnym napięciem przebicia dren-źródło (V_(BR)DSS) równym 900V, przy napięciu bramka-źródło (V_GS) równym 0V i ciągłym prądzie drenu (I_D) równym 1mA, podczas gdy drugie ma maksymalne napięcie V_(BR)DSS równe 1200V (w tych samych warunkach). Maksymalna temperatura T_j dla obu urządzeń wynosi 175˚C. Oba urządzenia są pojedynczymi tranzystorami MOSFET z kanałem N w obudowie D2PAK-7L (ilustracja 2).

Ilustracja 2: tranzystory mocy SiC MOSFET z kanałem N NTBG020N090SC1 oraz NTBG020N120SC1 są dostarczane w obudowie D2PAK-7L i różnią się przede wszystkim wartościami napięcia V_(BR)DSS, wynoszącymi odpowiednio 900 i 1200V. (Źródło ilustracji: Steven Keeping, przy wykorzystaniu materiałów z ON Semiconductor)

NTBG020N090SC1 posiada rezystancję R_DS(ON) 20mΩ przy napięciu V_GS 15V (I_D = 60A, T_j = 25˚C), oraz R_DS(ON) 16mΩ przy V_GS 18V (I_D = 60A, T_j = 25˚C). Maksymalny ciągły prąd przewodzenia diody dren-źródło (I_SD) wynosi 148A (V_GS = -5V, T_j = 25˚C), a maksymalny impulsowy prąd przewodzenia diody dren-źródło (I_SDM) wynosi 448A (V_GS = -5V, T_j = 25˚C). Tranzystor NTBG020N120SC1 posiada rezystancję R_DS(ON) równą 28mΩ przy napięciu V_GS równym 20V (I_D = 60A, T_j = 25˚C). Maksymalna wartość prądu I_SD wynosi 46A (V_GS = -5V, T_j = 25˚C), a maksymalna wartość I_SDM wynosi 392 A (V_GS = -5V, T_j = 25˚C).

Projektowanie z wykorzystaniem tranzystorów SiC MOSFET

Pomimo zalet, konstruktorzy, którzy chcą zastosować tranzystory SiC MOSFET w projektach przemienników trakcyjnych, powinni być świadomi istotnej komplikacji: tranzystory te mają trudne wymagania dotyczące wysterowania bramek. Niektóre z tych wyzwań wynikają z faktu, że w porównaniu z tranzystorami Si MOSFET, tranzystory SiC MOSFET wykazują niższą transkonduktancję, wyższą rezystancję wewnętrzną bramki, a próg załączenia bramki może być niższy od 2V. W rezultacie, bramka musi być ściągnięta poniżej masy (typowo do -5V) podczas stanu wyłączenia, aby zapewnić prawidłowe przełączanie.

Jednak kluczowym wyzwaniem dla sterownika bramki jest fakt, że wymagane jest przyłożenie dużego napięcia V_GS (do 20V), aby zapewnić niską rezystancję R_DS(ON). Praca tranzystora SiC MOSFET przy zbyt niskim napięciu V_GS może spowodować obciążenia termiczne, a nawet awarię spowodowaną stratami mocy (ilustracja 3).

Ilustracja 3: w przypadku tranzystora SiC MOSFET NTBG020N090SC1 wymagane jest wysokie napięcie V_GS, aby uniknąć obciążeń termicznych spowodowanych przez wysoką rezystancję R_DS(ON). (Źródło ilustracji: ON Semiconductor)

Ponieważ tranzystor SiC MOSFET jest urządzeniem o niskim wzmocnieniu, projektant musi również wziąć pod uwagę wpływ tego faktu na kilka innych ważnych charakterystyk dynamicznych podczas projektowania obwodu sterownika bramki. Cechy te obejmują plateau Millera ładowania bramki i wymóg zabezpieczenia nadprądowego.

Te komplikacje projektowe wymagają wyspecjalizowanego sterownika bramki o następujących cechach:

• Możliwość zapewnienia napięcia V_GS od -5 do 20V w celu pełnego wykorzystania zalet parametrów działania tranzystora SiC MOSFET. Aby zapewnić odpowiednią nadwyżkę w celu spełnienia tego wymogu, obwód napędu bramki powinien być w stanie wytrzymać napięcia V_DD = 25V i V_EE = -10V.
• Napięcie V_GS musi mieć strome zbocza narastania i opadania, rzędu kilku nanosekund (ns).
• Sterownik bramki musi być w stanie zapewnić wysoki szczytowy prąd bramki rzędu kilku amperów w całym obszarze plateau Millera tranzystora MOSFET.
• Wartość znamionowa prądu odbioru powinna przekraczać wartość, która byłaby wymagana do rozładowania pojemności wejściowej tranzystora SiC MOSFET. W przypadku półmostkowych topologii zasilania o wysokich parametrach należy rozważyć minimalny szczytowy prąd odbioru rzędu 10A.
• Niska indukcyjność pasożytnicza dla szybkich przełączeń.
• Mała obudowa sterownika umożliwia umieszczenie go jak najbliżej tranzystora SiC MOSFET i zwiększenie gęstości energii.
• Funkcja desaturacji (DESAT) umożliwiająca wykrywanie, zgłaszanie usterek i ochronę w celu zapewnienia długotrwałej i niezawodnej pracy.
• Poziom blokady pracy przy zbyt niskim napięciu V_DD (UVLO), który jest dopasowany do wymogu, aby V_GS >16V przed rozpoczęciem przełączania.
• Funkcja monitorowania V_EE UVLO zapewniająca pozostawanie szyny napięcia ujemnego w akceptowalnym zakresie.

Firma ON Semiconductor wprowadziła sterownik bramek zaprojektowany tak, aby spełniał wspomniane wymagania w projektach przemienników trakcyjnych. Sterownik bramek SiC MOSFET NCP51705MNTXG charakteryzuje się wysokim poziomem integracji, dzięki czemu jest kompatybilny nie tylko z tranzystorami SiC MOSFET tej firmy, ale również z tranzystorami MOSFET wielu innych producentów. Urządzenie zawiera wiele podstawowych funkcji typowych dla sterowników bramek ogólnego przeznaczenia, ale spełnia również wyspecjalizowane wymagania niezbędne do zaprojektowania niezawodnego układu sterownika bramki SiC MOSFET z wykorzystaniem minimalnej liczby komponentów zewnętrznych.

Na przykład, układ NCP51705MNTXG zawiera funkcję DESAT, którą można zaimplementować przy użyciu tylko dwóch zewnętrznych komponentów. Funkcja DESAT jest formą zabezpieczenia nadprądowego dla tranzystorów IGBT i MOSFET umożliwiającą monitorowanie awarii w której napięcie V_DS może wzrosnąć przy maksymalnym prądzie I_D. Może to mieć wpływ na sprawność, a w najgorszym przypadku może doprowadzić do uszkodzenia tranzystora MOSFET. Ilustracja 4 pokazuje sposób, w jaki układ NCP51750MNTXG monitoruje napięcie V_DS tranzystora MOSFET (Q1) poprzez wtyk DESAT za pośrednictwem komponentów R1 i D1.

Ilustracja 4: funkcja DESAT układu NCP51705MNTXG mierzy napięcie V_DS pod kątem anomalii podczas okresów maksymalnego prądu I_D i implementuje zabezpieczenie nadprądowe. (Źródło ilustracji: ON Semiconductor)

Sterownik bramek NCP51705MNTXG posiada również programowaną blokadę pracy przy zbyt niskim napięciu (UVLO). Jest to ważna funkcja przy sterowaniu tranzystorów SiC MOSFET, ponieważ sygnał wyjściowy komponentu przełączającego powinien być wyłączony do momentu, gdy napięcie V_DD przekroczy znaną wartość progową. Dopuszczenie do sytuacji, w której sterownik przełącza tranzystor MOSFET przy niskim napięciu V_DD może spowodować uszkodzenie urządzenia. Programowalna blokada pracy przy zbyt niskim napięciu (UVLO) w układzie NCP51705MNTXG nie tylko chroni obciążenie, ale również potwierdza kontrolerowi, że przyłożone napięcie V_DD jest powyżej progu włączenia. Próg załączenia blokady pracy przy zbyt niskim napięciu (UVLO) jest ustawiany za pomocą pojedynczego rezystora pomiędzy UVSET i SGND (ilustracja 5).

Ilustracja 5: wartość progowa załączenia blokady pracy przy zbyt niskim napięciu (UVLO) dla tranzystora SiC MOSFET NCP51705MNTXG jest ustawiana przez rezystor UVSET (R_UVSET), który jest dobierany zgodnie z żądanym napięciem załączenia blokady UVLO, V_ON. (Źródło ilustracji: ON Semiconductor)

Izolacja cyfrowa dla przemienników trakcyjnych

Aby ukończyć projekt przemiennika trakcyjnego, inżynier musi zapewnić odizolowanie elektroniki pojazdu po stronie niskiego napięcia od wysokich napięć i prądów przepływających przez przemiennik (ilustracja 2 powyżej). Jednak ponieważ mikroprocesor sterujący sterownikami bramek wysokiego napięcia (HV) znajduje się po stronie niskiego napięcia (LV), izolacja musi umożliwiać przejście sygnałów cyfrowych z mikroprocesora do sterowników bramek. Firma ON Semiconductor oferuje również szybki, dwukanałowy, dwukierunkowy ceramiczny izolator cyfrowy NCID9211R2 realizujący tę funkcję.

Izolowany galwanicznie, pełnodupleksowy izolator cyfrowy NCID9211R2 umożliwia przesyłanie sygnałów cyfrowych pomiędzy systemami bez przewodzenia pętli masy lub niebezpiecznych napięć. Urządzenie charakteryzuje się maksymalną izolacją roboczą 2000V_peak, tłumieniem sygnału wspólnego 100kV/ms oraz przepustowością danych 50Mbit/s.

Kondensatory ceramiczne poza układem scalonym tworzą barierę izolacyjną, jak pokazano na ilustracji 6.

Ilustracja 6: schemat blokowy ilustrujący pojedynczy kanał izolatora cyfrowego NCID9211R2. Kondensatory poza układem scalonym tworzą barierę izolacyjną. (Źródło ilustracji: ON Semiconductor)

Sygnały cyfrowe są transmitowane przez barierę izolacyjną z wykorzystaniem kluczowania włącz-wyłącz (OOK). Po stronie nadajnika stan logiczny wejścia V_IN jest modulowany sygnałem nośnym o wysokiej częstotliwości. Powstały sygnał jest wzmacniany i przesyłany do bariery izolacyjnej. Strona odbiorcza wykrywa sygnał barierowy i demoduluje go przy użyciu techniki detekcji obwiedni (ilustracja 7). Sygnał wyjściowy określa stan logiczny wyjścia V_O, gdy sterowanie zezwoleniem wyjścia EN jest w stanie wysokim. V_O domyślnie przyjmuje stan niski o wysokiej impedancji, gdy zasilanie nadajnika jest wyłączone lub wejście V_IN jest odłączone.

Ilustracja 7: izolator cyfrowy NCID9211 wykorzystuje modulację OOK do przesyłania informacji cyfrowych przez barierę izolacyjną. (Źródło ilustracji: ON Semiconductor)

Podsumowanie

Tranzystory mocy SiC MOSFET są dobrym rozwiązaniem dla wysokosprawnych przemienników trakcyjnych o wysokiej gęstości mocy w pojazdach elektrycznych, ale ich charakterystyka elektryczna stawia wyjątkowe wyzwania projektowe w odniesieniu do sterowników bramek i ochrony urządzeń. Dodatkowym wyzwaniem dla inżynierów jest zapewnienie wysokiego poziomu izolacji przemiennika trakcyjnego od wrażliwych układów elektronicznych strony niskonapięciowej pojazdu.

Aby ułatwić projektowanie, firma ON Semiconductor oferuje szereg tranzystorów SiC MOSFET, specjalistyczne sterowniki bramek i izolatory cyfrowe, które pomagają w sprostaniu wymaganiom przemienników trakcyjnych i uzyskaniu lepszej równowagi między dużym zasięgiem i wysokimi osiągami nowoczesnych pojazdów elektrycznych.