Hur man konstruerar med MOSFET:ar av kiselkarbid för att förbättra effektiviteten i växelriktare för drivning av elfordon

Ingenjörer måste göra en avvägning mellan prestanda och räckvidd i moderna elfordon. Snabbare acceleration och högre marschhastigheter kräver tätare och mer tidskrävande laddningsstopp. Eller, så leder en längre räckvidd till att det går långsammare framåt. För att öka räckvidden, och samtidigt erbjuda föraren högre prestanda, måste ingenjörerna utforma drivlinor som ser till att så mycket batterienergi som möjligt överförs till drivhjulen. Lika viktigt är behovet av att göra drivlinorna tillräckligt små för att passa in i fordonets begränsningar. Dessa dubbla krav kräver både högeffektiva komponenter och komponenter med hög energitäthet.

Den viktigaste komponenten i ett elfordons drivlina är den trefasiga växelriktaren för spänningskällan (eller "växelriktaren för drivning") som omvandlar batteriernas likspänning till den växelspänning som krävs för fordonets elmotor(er). Att bygga en effektiv växelriktare för drivning är avgörande för att minska kompromissen mellan prestanda och räckvidd, och en av de viktigaste metoderna för att förbättra effektiviteten är korrekt användning av halvledare av kiselkarbid med brett bandgap (WBG).

Artikeln beskriver växelriktarens roll vid drivning av elfordon. Därefter förklaras hur utformningen av enheten med MOSFET:ar av kiselkarbid kan ge en effektivare drivlina för elfordon än en drivlina som använder bipolära transistorer med isolerade grindar (IGBT:er). Artikeln sammanfattas med ett exempel på växelriktare för drivning som är baserad på en MOSFET av kiselkarbid och konstruktionstips för att maximera enhetens effektivitet.

Vad är en växelriktare för drivning?

Växelriktaren i ett elfordon omvandlar den likström som tillhandahålls av fordonets högspänningsbatterier till den växelström som elmotorn behöver för att producera det vridmoment som krävs för att flytta fordonet. Den elektriska prestandan hos växelriktaren för drivning har en betydande inverkan på fordonets acceleration och körsträcka.

Moderna växelriktare för drivning, drivs av batterisystem med höga spänningar på 400 V, eller på senare tid 800 V. Med strömmar på 300 A eller mer i växelriktaren för drivning, kan en enhet som drivs av ett batterisystem på 800 V leverera en effekt på över 200 kW. I takt med att effekten har ökat har växelriktarens storlek minskat, vilket har ökat effekttätheten betydligt.

Fordon med batterisystem på 400 V kräver växelriktare för drivning med halvledarenheter som är dimensionerade för 600-750 V, medan fordon med 800 V kräver halvledarenheter som är dimensionerade för 900-1200 V. De effektkomponenter som används i växelriktarna måste även kunna hantera toppströmmar på över 500 A under 30 sek. och en maximal växelström på 1600 A under 1 ms. De transistorer och gatedrivkretsar som används för switchning i enheten, måste dessutom kunna hantera dessa stora belastningar samtidigt som en hög effektivitet bibehålls i växelriktaren för drivning (tabell 1).

Tabell 1: Typiska krav på en växelriktare för drivning, 2021. Energitätheten har ökat med 250 % jämfört med 2009. (Bildkälla: Steven Keeping)

En växelriktare för drivning består vanligtvis av tre halvbryggor (switchar på hög och låg sida), en för respektive motorfas, med gatedrivkretsar som styr switchingen på den låga sidan av respektive transistor. Hela enheten måste vara galvaniskt isolerad från de lågspänningskretsar som driver resten av fordonets system (figur 1).

Figur 1: Ett elfordon kräver en trefas växelriktare för spänningskällan (växelriktare för drivning) för att omvandla högspänningslikström från batteriet till den växelström som fordonets elmotor(er) behöver. Högspänningssystemet, inklusive växelriktaren för drivning, är isolerat från fordonets konventionella system för 12 V. (Bildkälla: ON Semiconductor)

Switcharna i det exempel som visas i figur 1 är IGBT:er. Dessa har varit ett populärt val i en växelriktare för drivning eftersom de klarar av att hantera höga spänningar, switchar snabbt, har god effektivitet och är relativt billiga. I takt med att kostnaden för effekt-MOSFET:ar av kiselkarbid har sjunkit och de har blivit allt mer kommersiellt tillgängliga, vänder sig ingenjörer till dessa komponenter tack vare deras betydande fördelar jämfört med IGBT:er.

Fördelar med MOSFET:ar av kiselkarbid i högeffektiva gatedrivkretsar

De viktigaste prestandafördelarna med effekt-MOSFET:ar av kiselkarbid jämfört med konventionella MOSFET:ar och IGBT:er av kisel härrör från enheternas halvledarsubstrat med brett bandgap. MOSFET:ar av kisel har en bandgapsenergi på 1,12 eV jämfört med MOSFET:ar av kiselkarbid som har 3,26 eV. Det innebär att transistorn med brett bandgap kan motstå mycket högre genombrottsspänningar än enheter av kisel, liksom en resulterande fältspänning vid genombrott som är ungefär tio gånger större än för kisel. Den höga fältspänningen vid genombrott gör det möjligt att minska enhetens tjocklek för en given spänning, vilket sänker "på"-resistansen (R_{DS (ON)}) och minskar därmed switchningsförlusterna och förbättrar den strömledande förmågan.

En annan viktig fördel med kiselkarbid är dess värmeledningsförmåga, som är ungefär tre gånger högre än kisel. Högre värmeledningsförmåga medför en lägre temperaturökning i övergången (T_j) för en given effektförlust. MOSFET:ar av kisel tål även en högre maximal övergångstemperatur (T_j(max)) än kisel. Ett typiskt värde för T_j(max) för en MOSFET av kisel är 150 ˚C. Enheter av kiselkarbid tål en T_j(max) på upp till 600 ˚C, även om kommersiella enheter vanligtvis är specificerade för 175 till 200 ˚C. I tabell 2 jämförs egenskaperna hos kisel och 4H-kiselkarbid (den kristallina form av kiselkarbid som normalt används vid tillverkning av MOSFET:ar).

Tabell 2: nedbrytningsfältet, värmeledningsförmågan och den maximala övergångstemperaturen hos en MOSFET av kiselkarbid gör den till ett bättre val än kisel i tillämpningar med höga strömmar och spänningar. (Bildkälla: ON Semiconductor)

En hög nedbrytningsspänning, låg R_{DS (ON)}, hög värmeledningsförmåga och en hög T_j(max) gör det möjligt för en MOSFET av kiselkarbid att hantera mycket högre ström och spänning än en motsvarande MOSFET av kisel i samma storlek.

IGBT:er kan också hantera höga spänningar och strömmar och tenderar att vara billigare än MOSFET:ar av kiselkarbid - ett viktigt skäl till att de är populära i konstruktioner av växelriktare för drivning. Nackdelen med IGBT:er, särskilt när utvecklaren vill maximera energitätheten, är en begränsning av den maximala driftfrekvensen på grund av dess "eftersläpande ström" och relativt långsamma avstängning. En MOSFET av kiselkarbid kan däremot hantera högfrekventa växlingar i samma utsträckning som en MOSFET av kisel, men med samma spännings- och strömhanteringsförmåga som en IGBT.

Bättre tillgång på MOSFET:ar av kiselkarbid

Fram till nyligen har det relativt höga priset på MOSFET:ar av kiselkarbid begränsat användningen av dem till växelriktare för drivning i lyxiga elfordon, men de sjunkande priserna har gjort MOSFET:ar av kiselkarbid till ett alternativ för ett större urval av elfordon.

ON Semiconductor har två exempel på denna nya generation effekt-MOSFET:ar av kiselkarbid: NTBG020N090SC1 och NTBG020N120SC1. Den största skillnaden mellan enheterna är att den förstnämnda har en maximal nedbrytningsspänning från drain-to-source (V_(BR)DSS) på 900 V, med en spänning från gate-to-source (V_GS) på 0 V och en kontinuerlig drain-ström (_ID) på 1 mA, medan den sistnämnda har en maximal (V_(BR)DSS ) på 1200 V (vid samma förhållanden). Maximal T_j för båda enheterna är 175 ˚C. Båda enheterna är enkla N-kanals MOSFET:ar i en D2PAK-7L-kapsling (figur 2).

Figur 2: N-kanals effekt-MOSFET:arna NTBG020N090SC1 och NTBG020N120SC1 levereras båda i en D2PAK-7L-kapsling och skiljer sig främst åt genom sina värden för V_(BR)DSS på 900 respektive 1200 V. (Bildkälla: Steven Keeping, med material från ON Semiconductor)

NTBG020N090SC1 har en R_DS(ON) på  20 mΩ med en V_GS på 15 V (I_D = 60 A, T_j = 25 ˚C), och en R_DS(ON) på 16 mΩ med en V_GS på 18 V (I_D = 60 A, T_j = 25 ˚C). Maximal kontinuerlig framström för drain-source dioden (I_SD) är 148 A (V_GS = −5 V, T_j = 25 ˚C), och maximalt pulserande framström för drain-source dioden (I_SDM) är 448 A (V_GS = -5 V, T_j = 25 ˚C). NTBG020N120SC1 har en R_DS(ON) på 28 mΩ vid en V_GS på 20 V (I_D = 60 A, T_j = 25 ˚C). Maximal I_SD är 46 A (V_GS = -5 V, T_j = 25 ˚C), och maximal I_SDM är 392 A (V_GS = -5 V, T_j = 25 ˚C).

Konstruktion med MOSFET:ar av kiselkarbid

Trots fördelarna bör konstruktörer som vill använda MOSFET:ar av kiselkarbid i sina konstruktioner av växelriktare för drivning, vara medvetna om en betydande komplikation: transistorerna ställer knepiga krav på gatedrivkretsarna. En del av dessa utmaningar beror på att MOSFET:ar av kiselkarbid har lägre transkonduktans och högre intern gateresistans och gränsvärdet för gatetillslag kan vara lägre än 2 V jämfört med MOSFET:ar av kisel. Detta medför att gaten måste sänkas lägre än jord (vanligtvis till -5 V) i avstängt läge för att säkerställa en korrekt switchning.

Den viktigaste utmaningen för gatedrivkretsen är dock att en stor V_GS (upp till 20 V) måste användas för att säkerställa en låg R_DS(ON). Att driva en MOSFET av kiselkarbid med en för låg V_GS kan medföra termisk påfrestning eller till och med fel på grund av effektavledning (figur 3).

Figur 3: För MOSFET:en NTBG020N090SC1 av kiselkarbid krävs en hög V_GS för att undvika termisk påfrestning från en hög R_DS(ON). (Bildkälla: ON Semiconductor)

Eftersom en MOSFET av kiselkarbid är en enhet med låg förstärkning måste konstruktören dessutom ta hänsyn till hur detta påverkar flera andra viktiga dynamiska egenskaper vid konstruktion av en en gatedrivkrets. Egenskaperna inkluderar Miller-platån för gateladdning och kravet på överströmsskydd.

Dessa komplikationer i konstruktionen kräver en specialiserad gatedrivkrets med följande egenskaper:

• Möjlighet att tillhandahålla en V_GS-drivning på -5 till 20 V för att utnyttja prestandafördelarna hos en MOSFET av kiselkarbid till fullo. För att skapa en lämplig överkapacitet för att uppfylla detta krav måste gatedrivkretsen kunna motstå V_DD = 25 V och V_EE = -10 V.
• V_GS måste ha snabbt uppåt- och nedåtgående flanker, i storleksordningen några nanosekunder.
• Gatedrivkretsen måste kunna driva en hög toppström i storleksordningen flera ampere, i hela MOSFET:ens Miller-platåområde.
• Den nominella sink-strömmen bör överstiga den som skulle krävas för att bara ladda kiselkarbid-MOSFET:ens ingångskapacitans. En lägsta toppström i storleksordningen 10 A bör övervägas för strömtopologier med högeffektiva halvbryggor.
• Låg parasitär induktans vid switchning i hög hastighet.
• Litet drivkretspaket som kan placeras så nära MOSFET:en av kiselkarbid som möjligt för att öka energitätheten.
• En funktion för avsaturering (DESAT) med detektering, felrapportering och skydd för tillförlitlig drift under lång tid.
• En underspänningsspärr (UVLO) på V_DD-nivå som är anpassad till kravet att V_GS > 16 V innan switchningen börjar.
• En övervakningsfunktion av underspänningar på V_EE för att säkerställa att den negativa spänningsskenan ligger inom ett acceptabelt intervall.

ON Semiconductor har introducerat en gatedrivkrets som är konstruerad för att uppfylla dessa krav vid konstruktion av växelriktare för drivning. Gatedrivkretsen NCP51705MNTXG med MOSFET av kiselkarbid har en hög integrationsnivå som gör den kompatibel inte bara med deras egna MOSFET:ar av kiselkarbid utan även med andra från ett stort antal tillverkare. Enheten innehåller många grundläggande funktioner som är gemensamma för gatedrivkretsar för allmänna ändamål, men har också de specialiserade krav som krävs för att konstruera en tillförlitlig gatedrivkrets med en MOSFET av kiselkarbid och minimalt antal externa komponenter.

NCP51705MNTXG innehåller exempelvis en DESAT-funktion som kan implementeras med bara två externa komponenter. DESAT är en form av överströmsskydd för IGBT:er och MOSFET:ar för att övervaka ett fel där V_DS kan stiga till maximal _ID. Detta kan påverka effektiviteten och i värsta fall skada MOSFET:en. Figur 4 visar hur NCP51750MNTXG övervakar V_DS på MOSFET:en (Q1) via stiftet DESAT genom R1 och D1.

Figur 4: DESAT-funktion på NCP51705MNTXG mäter V_DS för avvikande beteende under perioder med maximal _ID och implementerar överströmsskyddet. (Bildkälla: ON Semiconductor)

Gatedrivkretsen NCP51705MNTXG har även ett programmerbart underspänningsskydd (UVLO). Detta är en viktig funktion vid drivning av MOSFET:ar av kiselkarbid eftersom den switchande komponentens utgång måste vara inaktiverad tills V_DD är över ett känt tröskelvärde. Om drivkretsen får möjlighet att switcha MOSFET:en vid en låg V_DD kan enheten skadas. Det programmerbara underspänningsskyddet i NCP51705MNTXG skyddar inte bara lasten utan verifierar även för styrenheten att tillförd V_DD ligger över tröskelvärdet för tillslag. Gränsvärdet för tillslag av underspänningsskyddet ställs in med ett enda motstånd mellan UVSET och SGND (figur 5).

Figur 5: Tröskelvärdet för aktivering av underspänningsskyddet hos MOSFET:en NCP51705MNTXG av kiselkarbid ställs in med motståndet, R_UVSET, som väljs i enlighet med önskad tillslagsspänning V_ON för överspänningsskyddet. (Bildkälla: ON Semiconductor)

Digital isolering i växelriktare för drivning

För att slutföra en konstruktion av en växelriktare för drivning måste ingenjören säkerställa att fordonets elektronik på lågspänningssidan är isolerad från de höga spänningar och strömmar som passerar genom växelriktaren (figur 2 ovan). Eftersom den mikroprocessor som styr gatedrivkretsarna för högspänning är placerad på lågspänningssidan måste dock all isolering möjliggöra passage av digitala signaler från mikroprocessorn till gatedrivkretsarna. ON Semiconductor erbjuder även en komponent för denna funktion, NCID9211R2, en tvåkanalig, dubbelriktad keramisk digital isolator med hög hastighet.

NCID9211R2 är en galvaniskt isolerad, digital isolator med full duplex som gör det möjligt för digitala signaler att passera mellan system utan att förmedla jordslingor eller farliga spänningar. Enheten har en maximal arbetsisolering på 2 000 V_topp, 100 kV/ms gemensamt avvisningsförhållande, och en dataöverföring med 50 Mbit/s.

Keramiska kondensatorer utanför kretsen utgör isoleringsbarriären på det sätt som visas i figur 6.

Figur 6: Blockschema som illustrerar den enkanaliga digitala isolatorn NCID9211R2. Kondensatorer utanför kretsen utgör isoleringsbarriären. (Bildkälla: ON Semiconductor)

De digitala signalerna överförs över isoleringsbarriären med hjälp av OOK-modulering (AV-PÅ anpassning). På sändarsidan moduleras V_IN-ingångens logiska tillstånd med en högfrekvent bärvåg. Den resulterande signalen förstärks och överförs till isoleringsbarriären. Mottagarsidan upptäcker barriärsignalen och demodulerar den med hjälp av en teknik för kuvertdetektering (figur 7). Utgångssignalen bestämmer V_O-utgångens logiska tillstånd när styrningen för aktivering av utgången EN är hög. V_O har som standard ett lågt tillstånd med hög impedans när sändarens strömförsörjning är avstängd eller när V_IN-ingången är bortkopplad.

Figur 7: Den digitala isolatorn NCID9211 använder OOK-modulering för att överföra digital information över isoleringsbarriären. (Bildkälla: ON Semiconductor)

Sammanfattning

Effekt-MOSFET:ar av kiselkarbid är ett bra alternativ för högeffektiva växelriktare med hög effekttäthet för drivning av elfordon, men deras elektriska egenskaper medför unika konstruktionsutmaningar när det gäller gatedrivkretsar och skydd av enheten. Ingenjörerna måste utöver konstruktionsutmaningarna även se till att konstruktionen av växelriktaren för drivning har en isolering på hög nivå från fordonets känsliga lågspänningselektronik.

Som visat, erbjuder ON Semiconductor ett antal MOSFET:ar, specialiserade gatedrivkretsar och digitala isolatorer för att förenkla konstruktionsutvecklingen och hantera kraven i växelriktare för drivning, samt för att hitta en bättre balans mellan lång räckvidd och hög prestanda för moderna elfordon.