Snížení ztrát, zlepšení účinnosti a rozšíření rozsahu teplot v aplikacích s vysokým výkonem

Konstruktéři výkonově náročných aplikací vyžadují menší, lehčí a účinnější výkonové měniče schopné pracovat při vyšších napětích a teplotách. To platí zejména v aplikacích, jako jsou elektrická vozidla („electric vehicle“, EV), kde se tato vylepšení promítají do rychlejšího nabíjení a delšího dojezdu. K dosažení těchto vylepšení používají konstruktéři výkonové měniče založené na technologiích širokého zakázaného pásu („wide bandgap“, WBG), jako je karbid křemíku (SiC).

Ve srovnání s křemíkovými (Si) pracují tato zařízení s vyšším napětím a váží méně, přesto mají podobné možnosti zpracovávání energie. Pracují také při vyšších teplotách, což snižuje potřebu chladicího systému. Zařízení s karbidem křemíku mohou pracovat při vyšší spínací frekvenci, což umožňuje použití menších pasivních součástek, které snižují velikost a hmotnost měniče. Přesto se technologie s karbidem křemíku neustále vyvíjí, přičemž nejnovější snahy vedou k nižšímu odporu v sepnutém stavu, což výkonové ztráty dále snižuje.

V tomto článku je stručně pojednáno o výhodách technologie s karbidem křemíku oproti křemíku s použitím elektromobilů pro kontext. Poté se článek zabývá vývojem technologií s karbidem křemíku, dále jsou v něm představeny tranzistory MOSFET s karbidem křemíku 4. generace od společnosti ROHM Semiconductor a je zde také ukázáno, jak konstruktérům pomáhají snižovat výkonové ztráty, náklady a velikost.

Proč používat karbid křemíku?

Pro delší dojezd potřebují elektromobily větší kapacitu baterie. V souvislosti s tímto trendem se napětí baterií zvyšuje na 800 voltů, aby se zkrátila doba nabíjení. V důsledku toho potřebují konstruktéři elektromobilů zařízení, která tato vyšší napětí vydrží a zároveň sníží elektrické ztráty a hmotnost. Tranzistory MOSFET s karbidem křemíku 4. generace společnosti ROHM Semiconductor poskytují nižší ztráty díky vyšší toleranci napětí, nižším ztrátám ve vedení a spínacím ztrátám a menším velikostem.

Karbid křemíku, polovodič se širokým zakázaným pásem, nabízí ve srovnání s křemíkovou technologií tranzistoru MOSFET výjimečnou účinnost ve vysokonapěťových výkonových spínacích aplikacích. Porovnání fyzikálních vlastností karbidu křemíku a křemíku ukazuje zdroj tohoto zlepšení na základě pěti fyzikálních vlastností: průrazného elektrické pole, zakázaného pásu, tepelné vodivosti, bodu tání a saturované driftové rychlosti elektronů (obrázek 1).

Obrázek 1: Výhody tranzistorů MOSFET s karbidem křemíku oproti křemíkovým tranzistorům MOSFET na základě pěti fyzikálních vlastností. (Zdroj obrázku: společnost ROHM Semiconductor)

Síla průrazného elektrického pole karbidu křemíku je desetkrát větší než síla křemíku, což umožňuje navrhovat zařízení s vyššími průraznými napětími při současném zmenšení tloušťky zařízení. Širší zakázaný pás karbidu křemíku umožňuje zařízení pracovat při mnohem vyšších teplotách. Vyšší tepelná vodivost snižuje úsilí potřebné k chlazení zařízení, zatímco vyšší bod tání zvyšuje rozsah provozních teplot. Konečně vyšší saturovaná driftová rychlost elektronů karbidu křemíku vede k vyšším možným spínacím frekvencím a nižším spínacím ztrátám. Tyto vyšší spínací frekvence vyžadují menší filtry a jiné pasivní součástky, což dále zmenšuje velikost a hmotnost.

Vývoj tranzistorů MOSFET

Původní tranzistory MOSFET s karbidem křemíku využívaly planární strukturu, kde je hradlo a kanál zařízení na povrchu polovodiče. Planární zařízení mají omezenou hustotu součástek, protože existuje omezení, jak moc lze návrhy ve snaze zlepšit výtěžnost zařízení zmenšit. Použití jedno- a dvoutrenchových tranzistorů MOSFET nabízí možnost dosáhnout vyšších hustot zařízení (obrázek 2).

Obrázek 2: Trench tranzistory MOSFET dosahují vyšších hustot zařízení vertikálním uspořádáním prvků zařízení. (Zdroj obrázku: společnost ROHM Semiconductor)

Stejně jako ostatní tranzistory MOSFET obsahuje i buňka trench tranzistoru MOSFET odtok, hradlo a zdroj, ale je uspořádána svisle. Kanál se vytváří vertikálně, paralelně s trench hradlem, pomocí efektu pole. Směr toku proudu je vertikální od zdroje k odtoku. Ve srovnání s planárním zařízením, které je rozloženo horizontálně a zabírá značnou plochu, je tato struktura velmi kompaktní.

Jednotrenchová konstrukce využívá jedno trench hradlo. Dvoutrenchové zařízení má jak hradlo, tak zdrojový trench. Společnost ROHM Semiconductor přešla u své 3. generace tranzistorů MOSFET s karbidem křemíku na dvoutrenchovou strukturu. Konstrukce 4. generace zdokonalila konstrukci s dvojím trenchem tím, že zmenšila velikost článku, ještě více snížila odporu v sepnutém stavu a parazitní kapacitu, což vedlo k mnohem nižším výkonovým ztrátám a poskytlo možnost použít menší zařízení s karbidem křemíku pro nákladově efektivnější návrhy systémů.

Snížení odporu tranzistoru MOSFET v sepnutém stavu může ohrozit jeho schopnost zvládat zkraty. Tranzistory MOSFET s karbidem křemíku 4. generace však dosahují nižšího odporu v sepnutém stavu bez obětování doby odolnosti proti zkratu, což těmto zařízením dává významnou výhodu, co se týče dosažení vysoké účinnosti a robustní odolnosti proti zkratu.

Porozumění ztrátám

Ztráty ve spínaném měniči pocházejí z několika zdrojů: ztráty spojené s aktivními zařízeními zahrnují ztráty ve vedení, spínání a ztráty diod těla (obrázek 3).

Obrázek 3: Schéma buck DC/DC převodníku s označením průběhů spínání a souvisejících průběhů ztrát. (Zdroj obrázku: společnost ROHM Semiconductor)

Buck převodník využívá dvojčinné provedení s high-side (S_H) a low-side (S_L) spínače tranzistoru MOSFET. Spínače jsou řízeny mimo fázi, takže v jednu chvíli vede pouze jeden. Průběhy hradlového budiče (V_GSH a V_GSL) vykazují amplitudové kroky v důsledku souvisejících intervalů nabíjení pro parazitní kapacity zařízení. Na obrázku jsou průběhy napětí mezi odtokem a zdrojem (V_DSH, V_DSL) a odtokový proud (I_DH, I_DL) pro obě zařízení. Když je zařízení zapnuté, napětí V_DS je nízké. Když je zařízení vypnuté, napětí V_DS je vysoké. V době, kdy je S_H zapnuté, se odtokový proud lineárně zvyšuje a současně nabíjí magnetické pole induktoru. Během této doby proud procházející odporem kanálu vyvíjí napětí, což má za následek ztráty na vedení (P_COND), které jsou úměrné druhé mocnině proudu a kanálu odporu v sepnutém stavu. Během intervalů, ve kterých zařízení mění stav, jsou napětí i proud nenulové a výkon se v zařízení rozptyluje úměrně napětí, proudu, době spínacího přechodu a spínací frekvenci. To jsou spínací ztráty.

Podobná situace nastane, když je S_L zapnuto. Zde proud lineárně klesá, protože energie uložená v induktoru zajišťuje odtokový proud ve spodním zařízení. Odpor kanálu opět rozptyluje výkon jako ztráty na vedení. Všimněte si, že V_DSL ve spodním zařízení je blízké nule, než se proud stane nenulovým, takže s touto částí cyklu nejsou spojeny žádné spínací ztráty.

Ztráta při zotavení (P_Qrr) je způsobena zotavením diody těla u zařízení. Ke zjednodušení je zobrazena pouze pro high-side.

P_body je vodivost diody těla u zařízení. Tato ztráta je generována proudem vedeným skrz diodu těla zařízení u zařízení low-side.

Celková výkonová ztráta je součtem všech těchto složek pro oba tranzistory.

Vylepšený výkon tranzistorů MOSFET s karbidem křemíku 4. generace

Porovnání výkonu křemíkových tranzistorů IGBT a tranzistorů MOSFET s karbidem křemíku 3. a 4. generace byla provedena pomocí 5kilowattového plnomůstkového invertoru (obrázek 4). V tomto plnomůstkovém obvodu jsou spínací zařízení zapojena paralelně k zajištění vyšší proudové kapacity. Plný můstek využívá celkem osm zařízení. Na levém obrázku je vidět osm zařízení namontovaných na chladiči. Účinnost obvodu byla hodnocena pomocí původního tranzistoru IGBT a tranzistorů MOSFET 3. a 4. generace. Invertor pracuje u tranzistorů MOSFET s karbidem křemíku na spínací frekvenci 40 kHz a u tranzistoru IGBT na frekvenci 20 kHz.

Obrázek 4: 5kW invertor bez ventilátoru a jeho schéma. Tento obvod byl původně navržen s křemíkovými tranzistory IGBT pracujícími při 20 kHz, ale byl spuštěn s tranzistory MOSFET s karbidem křemíku 3. i 4. generace pracujícími při 40 kHz. Byl porovnán výkon všech tří typů polovodičů. (Zdroj obrázku: společnost ROHM Semiconductor)

Zařízením 3. generace byl model SCT3030AL společnosti ROHM Semiconductor dimenzovaný na 650 V s odporem kanálu (R_DS(ON)) 30 mΩ. Tranzistorem MOSFET 4. generace byl model SCT4026DEC11 společnosti ROHM Semiconductor. Jmenovité napětí bylo u zařízení 4. generace zvýšeno na 750 voltů. Jeho odpor R_DS(ON) je 26 mΩ, což je 13% snížení, které mírně snižuje ztráty na vedení.

Porovnání ztrát obou tranzistorů MOSFET s karbidem křemíku se ztrátami původního tranzistoru IGBT ukazuje lepší účinnost (obrázek 5).

Obrázek 5: Tranzistory MOSFET s karbidem křemíku 4. generace mají výrazně nižší ztráty ve srovnání s původními křemíkovými tranzistory IGBT a zařízeními 3. generace. (Zdroj obrázku: společnost ROHM Semiconductor)

Zařízení 4. generace snížilo v porovnání se zařízením 3. generace ztráty na vedení (modrá) z 10,7 na 9,82 wattů. Výraznějšího snížení dosáhlo u spínacích ztrát (oranžová) – pokles z 16,6 na 8,22 wattů.

Mezi další vylepšení u zařízení 4. generace patří vylepšené možnosti hradlového budiče. Tranzistory MOSFET s karbidem křemíku 4. generace podporují řízení s 15 volty, zařízení 3. generace vyžadují 18 voltů. To znamená, že obvody navržené s křemíkovými zařízeními mohou jako náhradu používat tranzistory MOSFET 4. generace. Kromě toho je u tranzistorů MOSFET s karbidem křemíku 4. generace doporučené budicí napětí během vypínání 0 voltů. Před zařízeními 4. generace vyžadovalo napětí mezi hradlem a zdrojem během vypínání záporné předpětí, aby se zabránilo samovolnému zapnutí. Avšak u zařízení 4. generace je prahové napětí (Vth) navrženo tak, aby bylo vysoké, aby se samovolné zapnutí potlačilo, čímž se eliminuje nutnost použití záporného předpětí.

Řešení 4. generace

Řešení tranzistorů MOSFET s karbidem křemíku 4. generace společnosti ROHM Semiconductor se dělí do dvou skupin podle pouzdra zařízení. Model SCT4026DEC11, o kterém byla řeč, je tranzistor MOSFET s karbidem křemíku 750 V 56 A (+25 °C) / 29 A (+100 °C) 26 mΩ v třívodičovém pouzdru TO-247N. Příkladem alternativního čtyřvodičového pouzdra je model SCT4013DRC15, zařízení 750 V 105 A (+25 °C) / 74 A (+100 °C) 13 mΩ ve čtyřvodičovém pouzdru TO-247-4L.

Čtyřvodičové pouzdro přidává další vodič, který zlepšuje rychlost přepínání tranzistoru MOSFET. Konvenční třípinové pouzdro TO-247N neizoluje hradlový budič od parazitní indukčnosti zdroje-vodič kvůli vysokému odtokovému proudu. Napětí hradla se přivádí mezi piny hradla a zdroje. Efektivní napětí hradla na čipu je sníženo v důsledku úbytku napětí na parazitní indukčnosti (V_L) svorky zdroje, což způsobí snížení rychlosti spínání (obrázek 6).

Obrázek 6: Čtvrtý pin pouzdra TO-247-4L izoluje hradlový budič od pinů napájecího zdroje pomocí dalšího spojovacího pinu v Kelvinově uspořádání. (Zdroj obrázku: společnost ROHM Semiconductor)

Čtyřpinové pouzdro TO-247-4L rozděluje piny hradlového budiče a napájecího zdroje a připojuje hradlový budič přímo se zdrojem interně. Tím se minimalizují vlivy parazitní indukčnosti pinu zdroje. Přímé připojení hradlového budiče k vnitřnímu připojení zdroje umožňuje maximalizovat rychlost spínání tranzistorů MOSFET s karbidem křemíku, což snižuje celkovou spínací ztrátu (zapnutí a vypnutí) až o 35 % ve srovnání s konvenčními třípinovými pouzdry TO-247N.

Druhou rozlišovací specifikací pro tranzistory MOSFET s karbidem křemíku 4. generace je jmenovité napětí. Zařízení jsou k dispozici s jmenovitým napětím 750 voltů nebo 1 200 voltů. Dvě zařízení, která jsou zmíněna výše, mají jmenovité napětí 750 voltů. Pro aplikace s vyšším napětím je určen N-kanálový tranzistor MOSFET s karbidem křemíku SCT4062KEC11 1 200 V, 62 mΩ, 26 A (+25 °C) / 18 A (+100 °C) v třípinovém pouzdru TO-247N, zatímco N-kanálový tranzistor MOSFET SCT4036KRC15 1 200 V, 36 mΩ, 43 A (+25 °C) / 30 A (+100 °C) je ve čtyřpinovém pouzdru TO-247-4L. Celkem je v současnosti k dispozici deset tranzistorů MOSFET s karbidem křemíku 4. generace s jmenovitými proudy od 26 A do 105 A při +25 °C. Zařízení mají hodnoty R_DS(ON) v rozmezí od 13 do 62 mΩ.

Aplikace elektromobilů

Specifikace tranzistorů MOSFET s karbidem křemíku 4. generace jsou dobře přizpůsobeny aplikacím elektromobilů. Příkladem jsou baterie elektromobilů („battery of electric vehicle“, BEV) s napětím 400 nebo 800 voltů (obrázek 7).

Obrázek 7: Typické aplikace tranzistorů MOSFET s karbidem křemíku 4. generace v rámci BEV a souvisejícího externího příslušenství. (Zdroj obrázku: společnost ROHM Semiconductor)

Na obrázku 7 je blokové schéma baterií elektromobilů s napětím baterie 400 nebo 800 voltů, které podporuje obousměrné i rychlé nabíjení. Palubní nabíječka („onboard charger“, OBC) obsahuje dvojčinné obvody kompenzace účiníku („power factor correction“, PFC) a obousměrný plněmůstkový rezonanční měnič kondenzátor-induktor-induktor-kondenzátor („capacitor, inductor, inductor, capacitor“, CLLC). Externí DC nabíječka „Quiq“ zajišťuje přímé nabíjení baterie. Baterie pohání trakční invertor, který převádí stejnosměrný proud na třífázový střídavý proud pro pohon motoru. Všechny tyto obvody využívají v různých konfiguracích obvodů tranzistory MOSFET, aby zvládly požadované úrovně výkonu. Tranzistory MOSFET s karbidem křemíku 4. generace jsou důležité, protože snižují fyzickou velikost obvodu, zvyšují jmenovité napětí a zároveň snižují ztráty a náklady.

Závěr

Pro konstruktéry vysokonapěťových aplikací s vysokým výkonem, včetně elektromobilů, datových center a základnových stanic, jsou klíčovými zařízeními pro spínání výkonu tranzistory MOSFET s karbidem křemíku 4. generace. Jak je zde uvedeno, využívají jedinečnou strukturu k výraznému zlepšení účinnosti přeměny energie snížením ztrát a zároveň snížením půdorysu a nákladů.

Doporučená literatura:

1. Efektivní implementace SiC výkonových zařízení pro elektrická vozidla delšího dojezdu
2. Jak ke splnění požadavků na průmyslové napájení správně použít vhodná napájecí zařízení