Jak zefektivnit infrastrukturu energie, zvýšit její spolehlivost a zároveň snížit náklady

Od konstruktérů infrastruktury energie, od nabíjecích stanic pro elektromobily (EV) a solárních invertorů až po zařízení skladování energie a zdroje nepřerušeného napájení, se neustále vyžaduje, aby snižovali uhlíkovou stopu, zlepšovali spolehlivost a snižovali náklady.

Chtějí-li těchto cílů dosáhnout, musí se podrobně podívat, jak mohou optimalizovat řešení převodu energie, aby snížili ztráty ve vedení a spínání, udrželi dobrý tepelný výkon, snížili celkový tvarový faktor a snížili elektromagnetické rušení (EMI). Musí také zajistit, aby zvolené řešení bylo schopno vyhovovat procesu schvalování dílů do sériové výroby („production part approval pProcess“, PPAP) a bylo kvalifikováno podle standardu AEC-Q101.

K vypořádání se s těmito výzvami mohou konstruktéři využít různé výkonové tranzistory MOSFET na bázi karbidu křemíku (SiC), Schottkyho diody na bázi SiC, integrované obvody hradlového budiče a výkonové moduly.

V tomto článku je stručně popsáno, jak může technologie SiC zvýšit ve srovnání s klasickými křemíkovými (Si) přístupy účinnost a spolehlivost a snížit náklady. Poté se zde podíváme na možnosti pouzder a systémové integrace pro SiC a představíme si několik příkladů z reálného světa od společnosti onsemi. Ukážeme si, jak je konstruktéři mohou nejlépe použít k optimalizaci výkonových tranzistorů MOSFET a hradlových budičů na bázi SiC, aby splnili výzvu infrastruktury energie.

SiC vs. Si

SiC je materiál se širokým zakázaným pásem („wide bandgap“, WBG) – jeho zakázaný pás je 3,26 eV ve srovnání s pásem Si 1,12 eV. Nabízí také 10× vyšší schopnost průrazného pole, více než 3× vyšší tepelnou vodivost a může pracovat při mnohem vyšších teplotách ve srovnání s Si. Díky těmto specifikacím je SiC velmi vhodný pro použití v aplikacích infrastruktury energie (tabulka 1).

Tabulka 1: Vlastnosti materiálu 4H-SiC ve srovnání s Si činí SiC vhodným pro použití v aplikacích infrastruktury energie. (Zdroj obrázku: společnost onsemi)

Vyšší průrazné pole umožňuje tenčím zařízením z SiC mít stejné jmenovité napětí jako silnější Si zařízení a tenčí zařízení z SiC mají odpovídajícím způsobem nižší odpor a vyšší možnosti proudu. Parametr mobility SiC je ve stejném řádu jako Si, díky čemuž jsou oba materiály použitelné při vysokofrekvenčním převodu energie, což podporuje kompaktní tvarové faktory. Jejich vyšší tepelná vodivost znamená, že zařízení z SiC vykazují při vyšších úrovních proudu nižší nárůst teploty. Provozní teplota zařízení z SiC je omezena faktory pouzdra, jako jsou drátová připevnění, nikoli materiálovými charakteristikami SiC. V důsledku toho je výběr optimálního stylu pouzdra pro konstruktéry při používání SiC důležitým hlediskem.

Materiálové vlastnosti SiC z něj dělají vynikající volbu pro mnoho návrhů vysokonapěťových, vysokorychlostních převodů energie nebo převodů energie s vysokou proudovou zatížitelností a vysokou hustotou. V mnoha případech není otázkou, zda SiC použít, otázkou je, jaká technologie pouzdra SiC poskytuje optimální kompromis výkonu a ceny.

Při použití technologie napájení SiC mají konstruktéři tři základní možnosti pouzdra: diskrétní zařízení, inteligentní výkonové moduly („intelligent power module“, IPM) nebo výkonové integrované moduly („power integrated module“, PIM), z nichž každý nabízí jedinečnou sadu kompromisů mezi cenou a výkonem (tabulka 2). Například:

• Když je primárním hlediskem cena, jsou obecně preferována samostatná zařízení, jako ve spotřebitelských aplikacích. Podporují také duální zdroje a mají dlouhou životnost.
• Řešení IPM zkracují dobu návrhu, mají nejvyšší spolehlivost a jsou nejkompaktnějšími řešeními pro střední úrovně výkonu.
• Moduly PIM mohou ve srovnání s moduly IPM podporovat návrhy s vyšším výkonem s dobrou hustotou výkonu, přiměřeně rychlou dobou do uvedení na trh, širokou škálou možností návrhu a více příležitostmi pro duální zdroje.

Tabulka 2: Porovnání integračních funkcí a kompromisů při výběru mezi diskrétním řešením a řešením IPM a PIM pouzdra s SiC. (Zdroj obrázku: společnost onsemi)

Hybridní Si/SiC IPM

I když je možné vyvíjet řešení využívající pouze zařízení SiC, někdy je cenově efektivnější použít hybridní návrhy Si/SiC. Například hybridní modul IPM od společnosti onsemi NFL25065L4BT kombinuje Si IGBT čtvrté generace s přídavnou SiC diodou na výstupu a tvoří vstupní stupeň prokládané kompenzace účiníku („power factor correction“, PFC) pro spotřebitelské, průmyslové a lékařské aplikace (obrázek 1). Tento kompaktní modul IPM obsahuje optimalizovaný hradlový budič pro IGBT k minimalizaci EMI a ztrát. Integrované ochranné funkce zahrnují blokování podpětí, vypnutí při nadproudu, tepelné monitorování a hlášení poruch. Mezi další funkce modulu NFL25065L4BT patří:

• Dvoufázově prokládaná PFC 600 V / 50 A
• Optimalizace pro frekvenci spínání 20 kHz
• Nízká tepelná odolnost při použití substrátu z oxidu hlinitého s přímým bondováním mědi („direct bond copper“, DBC)
• Integrovaný termistor se záporným teplotním koeficientem („negative temperature coefficient“, NTC) pro monitorování teploty
• Třída izolace 2 500 voltů efektivní hodnoty (rms) / 1 minuta
• Certifikace laboratořemi UL

Obrázek 1: Modul IPM NFL25065L4BT tvoří stupeň prokládané PFC pomocí Si IGBT čtvrté generace s přídavnou SiC diodou na výstupu. (Zdroj obrázku: společnost onsemi)

Moduly SiC PIM

Pro solární invertory, nabíjecí stanice pro elektromobily a podobné aplikace, které mohou těžit z použití modulů PIM na základě SiC pro maximalizaci dodávky napájení s menším půdorysem a menším celkovým objemem, mohou konstruktéři využít model NXH006P120MNF2PTG. Toto zařízení obsahuje v pouzdře F2 polomůstek s tranzistorem MOSFET na bázi SiC 6 mΩ, 1 200 V a integrovaný termistor NTC (obrázek 2). Možnosti pouzdra zahrnují:

• S nebo bez předem aplikovaného teplovodivého materiálu („thermal interface material“, TIM)
• Pájitelné nebo zalisované piny

Obrázek 2: Integrovaný napájecí modul NXH006P120MNF2PTG se dodává v pouzdru F2 se zalisovanými piny. (Zdroj obrázku: společnost onsemi)

Tyto moduly IPM mají maximální provozní teplotu přechodu 175 °C a vyžadují externí ovládání a hradlové budiče. Volitelná technologie zalisování, nazývaná také svařování za studena, poskytuje spolehlivé spojení mezi piny a pokovenými průchozími otvory na desce plošných spojů. Zalisování poskytuje zjednodušenou montáž bez pájení a vytváří plynotěsné spojení kov-kov s nízkým odporem.

Schottkyho diody na bázi SiC

Schottkyho diody na bázi SiC lze použít v kombinaci s moduly IPM nebo ve 100% diskrétním provedení a ve srovnání s Si diodami poskytují lepší výkon spínání a vyšší spolehlivost. Schottkyho diody na bázi SiC, jako model NDSH25170A se 1 700 V / 25 A, nemají žádný proud při zpětném zotavení diody, mají vynikající tepelný výkon a charakteristiky spínání nezávislé na teplotě. To se projevuje vyšší účinností, rychlejšími frekvencemi spínání, vyšší hustotou výkonu, nižším EMI a snadným paralelním zapojením, což vše přispívá ke snížení velikosti řešení a nákladů (obrázek 3). Mezi vlastnosti diody NDSH25170A patří:

• Maximální teplota přechodu 175 °C
• Lavinová jmenovitá hodnota 506 mJ
• Nárazové proudy bez opakování do 220 A a nárazové proudy s opakováním do 66 A
• Kladný teplotní koeficient
• Žádné zpětné zotavení a žádné zotavení v propustném směru
• Kvalifikace dle standardu AEC-Q101 a možnost PPAP

Obrázek 3: Schottkyho dioda na bázi SiC NDSH25170A 1 700 V / 25 A nemá žádný proud při zpětném zotavení diody, má vynikající tepelný výkon a charakteristiky spínání nezávislé na teplotě. (Zdroj obrázku: společnost onsemi)

Diskrétní tranzistory MOSFET na bázi SiC

Konstruktéři mohou kombinovat diskrétní Schottkyho diody na bázi SiC s tranzistory MOSFET na bázi SiC 1 200 V společnosti onsemi, které mají také vynikající výkon spínání, nižší odpor při zapnutí a vyšší spolehlivost ve srovnání s Si zařízeními. Kompaktní velikost čipu tranzistorů MOSFET na bázi SiC vytváří nízkou kapacitu a náboj hradla. V kombinaci s jejich nízkým odporem při zapnutí pomáhá nižší kapacita a náboj hradla zvýšit účinnost systému, umožňuje rychlejší frekvence spínání, zvyšuje hustotu výkonu, snižuje elektromagnetické rušení („electromagnetic interference“, EMI) a umožňuje menší tvarové faktory řešení. Například model NTBG040N120SC1 je dimenzován na 1 200 V a 60 A a dodává se v pouzdru D2PAK−7L pro povrchovou montáž (obrázek 4). Vlastnosti:

• Typický hradlový náboj 106 nC
• Typická výstupní kapacita 139 pF
• 100% lavinové testování
• Provoz při teplotě přechodu 175 °C
• Kvalifikace dle standardu AEC-Q101

Obrázek 4: Tranzistor MOSFET na bázi SiC NTBG040N120SC1 je dimenzován na 1 200 V / 60 A, má odpor při zapnutí 40 mΩ a dodává se v pouzdru D2PAK−7L pro povrchovou montáž. (Zdroj obrázku: společnost onsemi)

Hradlový budič tranzistoru MOSFET na bázi SiC

Hradlové budiče pro tranzistory MOSFET na bázi SiC, jako je řada NCx51705 společnosti onsemi, poskytují vyšší budicí napětí než budiče pro tranzistory MOSFET na bázi Si. K úplnému zapnutí tranzistoru MOSFET na bázi SiC je zapotřebí napětí hradla 18 až 20 V ve srovnání s méně než 10 V potřebnými k zapnutí tranzistoru MOSFET na bázi Si. Navíc tranzistory MOSFET na bázi SiC vyžadují při vypínání zařízení buzení hradlem −3 až −5 V. Konstruktéři mohou pro tranzistory MOSFET na bázi SiC použít low-side jednokanálový vysokorychlostní budič NCP51705MNTXG 6 A (obrázek 5). Model NCP51705MNTXG poskytuje maximální jmenovité budicí napětí umožňující nízké ztráty ve vedení a poskytuje vysoké špičkové proudy během zapínání a vypínání, aby se minimalizovaly spínací ztráty.

Obrázek 5: Zjednodušené schéma zobrazující dva integrované obvody budiče NCP51705MNTXG (vpravo uprostřed) budicí dva tranzistory MOSFET na bázi SiC (vpravo) v topologii polomůstku. (Zdroj obrázku: společnost onsemi)

Konstruktéři mohou použít integrovanou nábojovou pumpu ke generování uživatelem volitelného záporného napěťového vedení k dosažení vyšší spolehlivosti, lepší odolnosti dv/dt a rychlejšího vypínání. V izolovaných návrzích může externě přístupné 5V vedení napájet sekundární stranu digitálních nebo vysokorychlostních optoizolátorů. Ochranné funkce modelu NCP51705MNTXG zahrnují tepelné vypnutí na základě teploty přechodu obvodu budiče, podpěťové blokování, předpěťové napájení a monitorování.

Aspekty použití vyhodnocovací desky hradlového budiče na základě SiC

K urychlení procesu vyhodnocení a návrhu mohou konstruktéři pro model NCP51705 použít vyhodnocovací desku („eval board“, EVB) NCP51705SMDGEVB (obrázek 6). Deska obsahuje budič NCP51705 a všechny potřebné obvody buzení, včetně integrovaného digitálního izolátoru a schopnosti pájet jakýkoli tranzistor MOSFET na bázi SiC nebo Si v pouzdru TO-247. Deska je navržena pro použití v jakékoli aplikaci s přepínáním napájení low-side nebo high-side. V dvojčinném řízení lze nakonfigurovat dvě nebo více těchto desek.

Obrázek 6: Vyhodnocovací deska NCP51705SMDGEVB má otvory (vlevo nahoře) pro připojení výkonového tranzistoru MOSFET na bázi SiC nebo Si a obsahuje budič NCP51705 (U1, uprostřed vlevo) a digitální izolátor IC (vpravo uprostřed). (Zdroj obrázku: společnost onsemi)

Při použití hradlového budiče NCP51705 s tranzistorem MOSFET na bázi SiC je důležitá minimalizace parazitní indukčnosti a kapacity desky plošných spojů (obrázek 7). Mezi aspekty rozložení desky plošných spojů patří:

• NCP51705 by měl být co nejblíže tranzistoru MOSFET na bázi SiC se zvláštní pozorností věnovanou krátkým trasám mezi VDD, SVDD, V5V, nábojovou pumpou a kondenzátorem VEE a tranzistorem MOSFET.
• Trasa mezi VEE a PGND by měla být co nejkratší.
• Mezi vysokými trasami dV/dt a vstupem budiče a DESAT je potřeba oddělení, aby se předešlo abnormálnímu chodu, který může být důsledkem šumové vazby.
• U návrhů s vysokou teplotou by měly být mezi podložkou pro odvod tepla a vnější vrstvou použity tepelné průchody, aby se minimalizoval tepelný odpor.
• Pro OUTSRC, OUTSNK a VEE je třeba použít široké trasy.

Obrázek 7: Doporučené rozložení desky plošných spojů pro model NCP51705 k minimalizaci parazitní indukčnosti a kapacity pro buzení tranzistorů MOSFET na bázi SiC. (Zdroj obrázku: společnost onsemi)

Závěr

SiC hraje důležitou roli při pomoci konstruktérům splnit požadavky rostoucího počtu a rozmanitosti aplikací infrastruktury energie. Konstruktéři mohou nyní používat zařízení s SiC k navrhování účinnějších vysokonapěťových, vysokorychlostních a vysokoproudých návrhů převodu energie, které vedou k menším velikostem řešení a vyšší hustotě výkonu. Pro maximální užitek z navrhování s SiC je však důležitý výběr optimálního stylu pouzdra.

Jak je zde ukázáno, existuje řada kompromisů v oblasti výkonu, doby do uvedení na trh a nákladů, které je třeba vzít při výběru mezi samostatnými zařízeními, IPM a PIM v úvahu. Při použití diskrétních zařízení nebo modulů PIM je k dosažení spolehlivého a efektivního výkonu systému rozhodující výběr hradlového budiče SiC a optimální rozložení desky plošných spojů.

Doporučeno k přečtení

1. Návrh tranzistorů MOSFET s karbidem křemíku ke zlepšení účinnosti trakčního invertoru EV
2. Jak zajistit bezpečné a efektivní modulární nasazení BESS pomocí zásuvných pólových konektorů baterie