Návrh tranzistorů MOSFET s karbidem křemíku ke zlepšení účinnosti trakčního invertoru EV

Technici musí dělat kompromis mezi výkonem a dojezdem moderních elektrických vozidel (EV). Rychlejší akcelerace a vyšší cestovní rychlosti vyžadují častější a časově náročnější zastávky kvůli nabíjení. Alternativou je delší dojezd za cenu pomalejší jízdy. Chcete-li zvýšit dojezd a zároveň nabídnout řidičům vyšší výkon, musí technici navrhnout pohonný systém, který zajistí, aby se co nejvíce energie z baterie přenášelo na poháněná kola. Stejně důležitá je nutnost udržet dostatečně malé rozměry pohonného systému, aby pasoval do velikostních omezení vozidla. Tyto dvojí požadavky vyžadují komponenty s vysokou účinností i vysokou hustotou energie.

Klíčovým prvkem v pohonném systému EV je invertor třífázového zdroje napětí (neboli „trakční invertor“), který převádí stejnosměrné napětí baterií na střídavý proud požadovaný elektromotory vozidel. Sestavení účinného trakčního invertoru je zásadní pro zmírnění kompromisu mezi výkonem a dojezdem a jednou z klíčových cest ke zlepšení účinnosti je správné používání zařízení se širokopásmovými polovodiči (WBG) a karbidem křemíku (SiC).

V tomto článku je popsána role trakčního invertoru EV. Poté vysvětlíme, jak může návrh jednotky s výkonovými metaloxidovými polovodičovým tranzistory řízenými elektrickým polem (MOSFET) s karbidem křemíku (SiC) přinést účinnější pohonný systém EV než ten, který využívá bipolární tranzistory s izolovaným hradlem (IGBT). Na konci článku je uveden příklad trakčního invertoru založeného na tranzistorech MOSFET s karbidem křemíku a tipy k návrhům, jak maximalizovat účinnost jednotky.

Co je trakční invertor?

Trakční invertor EV převádí stejnosměrný proud poskytovaný vysokonapěťovými bateriemi vozidla (HV) na střídavý proud požadovaný elektromotorem, aby vytvořil točivý moment potřebný k pohybu vozidla. Elektrický výkon trakčního invertoru má významný dopad na zrychlení vozidla a jeho dojezd.

Současné trakční invertory jsou poháněny vysokonapěťovými bateriovými systémy s napětím 400 V nebo v poslední době také 800 V. S proudy trakčního invertoru o hodnotě 300 A nebo vyšší je zařízení napájené 800voltovým bateriovým systémem schopno dodávat více než 200 kW energie. Se stoupajícím výkonem se zmenšovala velikost invertorů, což výrazně zvyšovalo hustotu výkonu.

Elektromobily se 400V bateriovými systémy vyžadují trakční invertory s výkonovými polovodičovými zařízeními v rozsahu 600 až 750 V, zatímco 800V vozidla vyžadují polovodičová zařízení v rozsahu 900 až 1 200 V. Výkonové komponenty použité v trakčních invertorech musí být také schopny zvládat špičkové střídavé proudy nad 500 A po dobu 30 s a maximální střídavý proud 1 600 A po dobu 1 ms. Kromě toho musí být spínací tranzistory a hradlové budiče použité pro zařízení schopné zvládnout tyto velké zátěže při zachování vysoké účinnosti trakčního invertoru (tabulka 1).

Tabulka 1: Typické požadavky na trakční invertory v roce 2021 – hustota energie vykazuje 250% nárůst ve srovnání s rokem 2009. (Zdroj obrázku: Steven Keeping)

Trakční invertor typicky obsahuje tři polomůstkové prvky (spínače high-side plus low-side), jeden pro každou fázi motoru, s hradlovými budiči ovládajícími spínání low-side jednotlivých tranzistorů. Celá sestava musí být galvanicky oddělena od nízkonapěťových obvodů (LV) napájejících ostatní systémy vozidla (obrázek 1).

Obrázek 1: EV vyžaduje invertor třífázového zdroje napětí (trakční invertor), aby přeměnil vysokonapěťový (HV) stejnosměrný proud napájení baterie na střídavý proud vyžadovaný elektromotorem (elektromotory) vozidla. Systém HV je včetně trakčního invertoru izolován od konvenčního 12V systému vozidla. (Zdroj obrázku: ON Semiconductor)

V příkladu na obrázku 1 jsou použity spínače IGBT. Ty byly pro trakční invertory oblíbenou volbou, protože jsou schopné zvládat vysoké napětí, rychle přepínat, nabízejí dobrou účinnost a jsou relativně levné. Protože však cena výkonových tranzistorů MOSFET s karbidem křemíku klesla a tranzistory jsou komerčně dostupnější, technici tyto komponenty vyhledávají kvůli jejich značným výhodám oproti IGBT.

Výhoda tranzistorů MOSFET s karbidem křemíku (SiC) pro vysoce účinné hradlové budiče

Klíčové výhody výkonových tranzistorů MOSFET s karbidem křemíku oproti konvenčním křemíkovým (Si) MOSFET a IGBT jsou odvozeny od polovodičového substrátu WBG. Křemíkové tranzistory MOSFET mají energii zakázaného pásu 1,12 eV ve srovnání s tranzistory MOSFET s karbidem křemíku s energií 3,26 eV. To znamená, že tranzistory WBG vydrží mnohem vyšší průrazná napětí než křemíkové součásti. Stejně je i výsledné průrazné napětí pole asi desetkrát větší než u křemíkového tranzistoru. Vysoké průrazné napětí pole umožňuje zmenšit tloušťku zařízení pro dané napětí a snížit odpor při „zapnutí“ (R_DS(ON)), a tím snížit spínací ztráty a zlepšit schopnost přenášet proud.

Další klíčovou výhodou karbidu křemíku (SiC) je jeho tepelná vodivost, která je asi třikrát vyšší než u křemíku. Vyšší tepelná vodivost má za následek nižší vzestup teploty přechodu (T_j) pro daný rozptylový výkon. MOSFET s karbidem křemíku mohou také tolerovat vyšší maximální teplotu přechodu (T_j(max)) než křemíkové. Typická hodnota T_j(max) pro křemíkový MOSFET je 150 °C. Zařízení s karbidem křemíku vydrží T_j(max) až 600 °C, ačkoli komerční zařízení mají obvykle jmenovitou hodnotu 175 až 200 °C. Tabulka 2 uvádí srovnání vlastností mezi Si a 4H-SiC (krystalická forma karbidu křemíku běžně používaná k výrobě MOSFET).

Tabulka 2: Hodnoty tranzistoru MOSFET s karbidem křemíku – průrazného pole, tepelné vodivosti a maximální teploty přechodu – z něj činí lepší volbu pro aplikace spínání vysokého proudu a vysokého napětí, než jsou křemíkové tranzistory. (Zdroj obrázku: ON Semiconductor)

Vysoké průrazné napětí, nízké R_DS(ON), vysoká tepelná vodivost a vysoká teplota T_j(max) umožňují tranzistoru MOSFET s karbidem křemíku zvládnout mnohem vyšší proud a napětí, než je schopen podobně velký křemíkový MOSFET.

IGBT jsou také schopné zvládat vysoké napětí a proudy a bývají levnější než MOSFET s karbidem křemíku, což je klíčový důvod pro to, aby jim byla v návrzích trakčních invertorů dána přednost. Nevýhodou IGBT, zvláště když se vývojář snaží maximalizovat hustotu energie, je omezení maximální provozní frekvence kvůli jejich „proudu doznívání“ a relativně pomalému vypínání. Naproti tomu tranzistor MOSFET s karbidem křemíku je schopen zvládnout vysokofrekvenční přepínání na stejné úrovni jako křemíkový MOSFET, ale s funkcí IGBT zpracovávání napětí a proudu.

Širší dostupnost tranzistorů MOSFET s karbidem křemíku

Až donedávna omezovala relativně vysoká cena tranzistorů MOSFET s karbidem křemíku použití trakčních invertorů jen na luxusní elektromobily, ale díky klesajícím cenám jsou tyto tranzistory volbou pro širší rozsah EV.

Dva příklady této nové generace výkonových tranzistorů MOSFET s karbidem křemíku pocházejí od společnosti ON Semiconductor: NTBG020N090SC1 a NTBG020N120SC1. Hlavní rozdíl mezi zařízeními spočívá v tom, že první zařízení má maximální průrazné napětí mezi odtokem a zdrojem (V_(BR)DSS) 900 V, s napětím mezi hradlem a zdrojem (V_GS) 0 V a nepřetržitým odtokovým proudem (I_D) 1 mA. Druhé zařízení má maximální V_(BR)DSS 1 200 V (za stejných podmínek). Maximální T_j je pro obě zařízení 175 °C. Obě zařízení jsou jednokanálové tranzistory MOSFET v balení D2PAK-7L (obrázek 2).

Obrázek 2: N-kanálové výkonové tranzistory MOSFET s karbidem křemíku NTBG020N090SC1 a NTBG020N120SC1 se oba dodávají v balení D2PAK-7L a liší se primárně hodnotami V_(BR)DSS 900, respektive 1 200 V. (Zdroj obrázku: Steven Keeping s použitím materiálu od společnosti ON Semiconductor)

Model NTBG020N090SC1 má R_DS(ON) 20 mΩ s V_GS 15 V (I_D = 60 A, T_j = 25 °C) a R_DS(ON) 16 mΩ s V_GS 18 V (I_D = 60 A, T_j = 25 °C). Maximální trvalý odtokový proud diody v propustném směru (I_SD) je 148 A (V_GS = −5 V, T_j = 25 °C) a maximální pulzní odtokový proud diody v propustném směru (I_SDM) je 448 A (V_GS = −5 V, T_j = 25 °C). Model NTBG020N120SC1 má R_DS(ON) 28 mΩ při V_GS 20 V (I_D = 60 A, T_j = 25 °C). Maximální I_SD je 46 A (V_GS = −5 V, T_j = 25 °C) a maximální I_SDM je 392 A (V_GS = −5 V, T_j = 25 °C).

Navrhování s tranzistory MOSFET s karbidem křemíku

Navzdory jejich výhodám by si konstruktéři, kteří chtějí začlenit MOSFET s karbidem křemíku do svých návrhů trakčních invertorů, měli uvědomit významnou komplikaci – tranzistory mají složité požadavky na hradlový budič. Některé z těchto problémů vyplývají ze skutečnosti, že ve srovnání s křemíkovými MOSFET vykazují MOSFET s karbidem křemíku nižší transkonduktanci, vyšší vnitřní odpor hradla a prahová hodnota pro zapnutí hradla může být méně než 2 V. Výsledkem je, že hradlo musí být během vypnutí staženo pod uzemnění (obvykle na −5 V), aby bylo zajištěno správné spínání.

Hlavní výzva týkající se hradlového budiče však vyplývá ze skutečnosti, že musí být aplikováno velké V_GS (až 20 V), aby bylo zajištěno nízké R_DS(ON). Provoz MOSFET s karbidem křemíku při příliš nízkém napětí V_GS může mít za následek tepelné namáhání nebo dokonce poruchu v důsledku rozptylového výkonu (obrázek 3).

Obrázek 3: U tranzistoru MOSFET s karbidem křemíku NTBG020N090SC1 je vyžadováno vysoké V_GS, aby se zabránilo tepelnému namáhání kvůli vysokému R_DS(ON). (Zdroj obrázku: ON Semiconductor)

Vzhledem k tomu, že tranzistor MOSFET s karbidem křemíku je navíc zařízení s nízkým ziskem, musí konstruktér při navrhování obvodu hradlového budiče vzít v úvahu jeho dopad na několik dalších důležitých dynamických charakteristik. Mezi tyto vlastnosti patří Millerova rovina náboje hradla a požadavek na ochranu proti nadproudu.

Tyto konstrukční komplikace vyžadují specializovaný hradlový budič s následujícími atributy:

• Schopnost poskytnout řadič s V_GS −5 až 20 V, aby bylo možné plně využít výhod výkonu tranzistoru MOSFET s karbidem křemíku. K zajištění adekvátní režie ke splnění tohoto požadavku by měl obvod hradlového budiče odolat V_DD = 25 V a V_EE = −10 V.
• V_GS musí mít rychlé vzestupné a sestupné hrany, řádově několik nanosekund.
• Hradlový budič musí být schopen generovat vysoký špičkový proud hradla v řádu několika ampérů v celé oblasti Millerovy roviny tranzistoru MOSFET.
• Jmenovitý pohlcovaný proud by měl překročit hodnotu, která by byla nutná k vybití vstupní kapacity MOSFET s karbidem křemíku. U vysoce výkonných polomůstkových topologií napájení je třeba vzít v úvahu minimální jmenovitý pohlcovaný špičkový proud v řádu 10 A.
• Nízká parazitní indukčnost pro vysokorychlostní spínání.
• Malé pouzdro řadičů, které lze umístit co nejblíže k tranzistorům MOSFET s karbidem křemíku a zvýšit hustotu energie.
• Funkce desaturace (DESAT) schopná detekce, hlášení poruch a ochrany pro dlouhodobě spolehlivý provoz.
• Úroveň podpěťového blokování (UVLO) V_DD, která odpovídá požadavku, že před zahájením spínání je V_GS > 16 V.
• Funkce monitorování UVLO V_EE k zajištění, že vedení se záporným napětím je v přijatelném rozsahu.

Společnost ON Semiconductor představila hradlový budič navržený ke splnění těchto požadavků v konstrukcích trakčních invertorů. Hradlový budič NCP51705MNTXG tranzistoru MOSFET s karbidem křemíku se vyznačuje vysokou úrovní integrace, díky které je kompatibilní nejen s jejich tranzistorem MOSFET s karbidem křemíku, ale také s tranzistory od široké škály výrobců. Zařízení obsahuje mnoho základních funkcí společných pro univerzální hradlové budiče, ale je také vybaveno speciálními požadavky nezbytnými pro návrh spolehlivého obvodu hradlového budiče MOSFET s karbidem křemíku s použitím minimálního množství externích komponent.

Například model NCP51705MNTXG obsahuje funkci DESAT, kterou lze implementovat pouze pomocí dvou externích komponent. DESAT je formou ochrany proti nadproudu pro IGBT a MOSFET k monitorování poruchy, při které V_DS může stoupat při maximu I_D. To může mít vliv na účinnost a v nejhorším případě to může i poškodit MOSFET. Obrázek 4 ukazuje, jak model NCP51750MNTXG monitoruje V_DS tranzistoru MOSFET (Q1) prostřednictvím pinu DESAT přes R1 a D1.

Obrázek 4: Funkce DESAT modelu NCP51705MNTXG měří V_DS při anomálním chování během období maxima I_D a implementuje ochranu proti nadproudu. (Zdroj obrázku: ON Semiconductor)

Hradlový budič NCP51705MNTXG obsahuje také programovatelné podpěťové blokování (UVLO). Jde o důležitou vlastnost při řízení tranzistorů MOSFET s karbidem křemíku, protože výstup spínací komponenty by měl být deaktivován až do té doby, než bude V_DD nad známou prahovou hodnotou. Umožnění řadiči, aby přepnul MOSFET na nízké V_DD, může poškodit zařízení. Programovatelné podpěťové blokování (UVLO) modelu NCP51705MNTXG nejen chrání zátěž, ale ověří řadiči, že použité V_DD je nad prahovou hodnotou zapnutí. Prahová hodnota zapnutí UVLO je nastavena pomocí jediného rezistoru mezi UVSET a SGND (obrázek 5).

Obrázek 5: Prahová hodnota zapnutí UVLO pro tranzistor MOSFET s karbidem křemíku NCP51705MNTXG je nastavena rezistorem UVSET, R_UVSET, který je zvolen podle požadovaného zapínacího napětí UVLO, V_ON. (Zdroj obrázku: ON Semiconductor)

Digitální izolace pro trakční invertory

K dokončení konstrukce trakčního invertoru musí technik zajistit, aby strana LV elektroniky vozidla byla izolována od vysokého napětí a proudů procházejících invertorem (obrázek 2 výše). Protože však mikroprocesor ovládající hradlové budiče HV je na straně LV, musí každá izolace umožňovat průchod digitálních signálů z mikroprocesoru do hradlových budičů. Společnost ON Semiconductor nabízí také komponentu pro tuto funkci – vysokorychlostní dvoukanálový obousměrný keramický digitální izolátor NCID9211R2.

NCID9211R2 je galvanicky izolovaný, plně duplexní digitální izolátor, který umožňuje digitálním signálům procházet mezi systémy bez vedení zemních smyček nebo nebezpečného napětí. Zařízení má maximální pracovní izolaci 2 000 V_peak, míru potlačení součtového signálu 100 kV/ms a propustnost dat 50 Mbit/s.

Keramické kondenzátory mimo čip tvoří izolační bariéru, jak je znázorněno na obrázku 6.

Obrázek 6: Blokové schéma ilustrující jeden kanál digitálního izolátoru NCID9211R2. Izolační bariéru tvoří kondenzátory mimo čip. (Zdroj obrázku: ON Semiconductor)

Digitální signály jsou přenášeny přes izolační bariéru pomocí modulace klíčování OOK („ON-OFF Keying“). Na straně vysílače je vstupní logický stav V_V modulován vysokofrekvenčním nosným signálem. Výsledný signál je zesílen a přenášen na izolační bariéru. Strana přijímače detekuje bariérový signál a demoduluje jej pomocí techniky detekce obálky (obrázek 7). Výstupní signál určuje výstupní logický stav napětí V_O, má-li řízení povolení výstupu EN vysokou úroveň. Pro V_O je výchozí stav nízké úrovně s vysokou impedancí, když je vypnuto napájení vysílače, nebo je odpojen vstup V_IN.

Obrázek 7: Digitální izolátor NCID9211 používá k přenosu digitálních informací přes izolační bariéru modulaci OOK. (Zdroj obrázku: ON Semiconductor)

Závěr

Výkonové tranzistory MOSFET s karbidem křemíku jsou dobrou volbou pro vysoce účinné a výkonové trakční invertory s vysokou hustotou pro EV, ale jejich elektrické vlastnosti přinášejí s ohledem na hradlové budiče a ochranu zařízení jedinečné konstrukční výzvy. Kromě konstrukčních výzev musí konstruktéři také zajistit, aby jejich konstrukce trakčních invertorů poskytovala izolaci od citlivé LV elektroniky vozidla na vysoké úrovni.

Jak jsme ukázali, společnost ON Semiconductor nabízí pro usnadnění technického vývoje řadu tranzistorů MOSFET s karbidem křemíku, specializované hradlové budiče a digitální izolátory, které splňují požadavky trakčních invertorů a vytvářejí v moderních elektrovozidlech lepší rovnováhu mezi dlouhým dojezdem a vysokým výkonem.