Hur man gör energiinfrastrukturen effektivare och mer tillförlitlig samtidigt som man sänker kostnaderna

Konstruktörer av energiinfrastruktur, från laddningsstationer för elfordon och växelriktare för solceller till energilagring och avbrottsfria strömförsörjningssystem, utmanas ständigt att minska koldioxidavtrycket, förbättra tillförlitligheten och sänka kostnaderna.

För att uppnå dessa mål måste de titta noga på hur de kan optimera sina kraftomvandlingslösningar för att minska lednings- och kopplingsförluster, bibehålla god termisk prestanda, minska det totala formatet och de elektromagnetiska störningarna (EMI). De måste även se till att den valda lösningen kan uppfylla PPAP-processen (Production Part Approval Process) och kvalificeras enligt AEC-Q101.

För att klara dessa utmaningar kan konstruktörer använda sig av en mängd olika effekt-MOSFET:ar av kiselkarbid (SiC), Schottky-dioder av kiselkarbid, gatedrivkretsar och effektmoduler.

Artikeln ger en kortfattad översikt över hur kiselkarbidtekniken kan öka effektiviteten och tillförlitligheten, samt minska kostnaderna jämfört med klassiska kiselteknik (Si). Den behandlar sedan alternativen för kapsling och systemintegration för kiselkarbid innan flera exempel från onsemi presenteras, och man visar hur konstruktörer kan använda dessa på bästa sätt för att optimera effekt-MOSFET:ar av kiselkarbid och gatedrivkretsens prestanda för att klara energiinfrastrukturens utmaningar.

Kiselkarbid kontra kisel

Kiselkarbid är ett material med brett bandgap (WBG) på 3,26 eV jämfört med bandgapet för kisel på 1,12 eV. Det har även 10 gånger högre fältkapacitet, över 3 gånger högre värmeledningsförmåga och kan fungera vid mycket högre temperaturer jämfört med kisel. Dessa specifikationer gör kiselkarbid väl lämpat för användning i energiinfrastrukturtillämpningar (tabell 1).

Tabell 1: Materialegenskaperna hos 4H-kiselkarbid jämfört med kisel gör kiselkarbid väl lämpat för användning i energiinfrastrukturtillämpningar. (Bildkälla: onsemi)

Det högre nedbrytningsfältet gör det möjligt för tunnare enheter av kiselkarbid att ha samma märkspänning som tjockare enheter av kisel, och de tunnare enheterna av kiselkarbid har en motsvarande lägre tillslagsresistans och högre strömkapacitet. Rörlighetsparametern för kiselkarbid är i ungfärd lika stor som för kisel, vilket gör att båda materialen kan användas i högfrekventa kraftomvandlingar, som stöder kompakta format. Deras högre värmeledningsförmåga innebär att enheter av kiselkarbid har en lägre temperaturökning vid högre strömnivåer. Drifttemperaturen hos enheter av kiselkarbid begränsas av kapslingens faktorer såsom trådbindningar, inte av kiselkarbidens egenskaper. Därför är valet av optimal kapslingstyp en viktig fråga för konstruktörerna när de använder kiselkarbid.

Kiselkarbidens egenskaper gör den till ett överlägset val i många konstruktioner med hög spänning, hög hastighet, hög strömstyrka och hög densitet för kraftomvandling. I många fall är frågan inte om man ska använda kiselkarbid, utan vilken kapslingsteknik för kiselkarbid som ger den optimala kompromissen mellan prestanda och kostnad.

Konstruktörerna har tre grundläggande kapslingsalternativ när de använder kraftteknik med kiselkarbid: diskreta enheter, intelligenta kraftmoduler (IPM) eller integrerade kraftmoduler (PIM), som var och en har en unik uppsättning kostnads- och prestandafördelar (tabell 2). Exempelvis:

• Diskreta enheter är i allmänhet att föredra när kostnaden är en viktig faktor, t.ex. i konsumenttillämpningar. De har även stöd för dubbla källor och har lång livslängd.
• Lösningar med intelligenta kraftmoduler minskar konstruktionstiden, har den högsta tillförlitligheten och är de mest kompakta lösningarna för måttliga effektnivåer.
• Lösningar med integrerade effektmoduler stödjer konstruktioner med högre effekt och god effekttäthet, relativt snabb marknadsintroduktion, ett brett utbud av konstruktionsalternativ och fler möjligheter till dubbla källor, jämfört med IPM:er.

Tabell 2: Jämförelse av integrationsfunktioner och kompromisser när man väljer mellan diskreta kapslingslösningar och lösningar med intelligenta eller integrerade kraftmoduler av kiselkarbid. (Bildkälla: onsemi)

Intelligenta hybrid-kraftmoduler av kisel/kiselkarbid

Det är möjligt att utveckla lösningar med enbart enheter av kiselkarbid, men ibland är det mer kostnadseffektivt att använda hybridkonstruktioner med kisel/kiselkarbid. Den intelligenta hybrid-kraftmodulen NFL25065L4BT från onsemi kombinerar exempelvis den fjärde generationens IGBT:er av kisel med en förstärkningsdiod av kiselkarbid på utgången för att bilda ett ingångssteg med överlappande effektfaktorkorrigering (PFC) för konsumenttillämpningar, industritillämpningar och medicinska tillämpningar (figur 1). Denna kompakta intelligenta kraftmodul innehåller en optimerad gatedrivkrets för IGBT:erna, för att minimera EMI och förluster. De inbyggda skyddsfunktionerna inkluderar utlåsning vid underspänning, avstängning vid överström, termisk övervakning och felrapportering. Andra egenskaper hos NFL25065L4BT är:

• 600 V/50 A 2-fas överlappande PFC
• Optimerad för en switchningsfrekvens på 20 kHz
• Låg termisk resistans med användning av aluminiumoxidsubstrat med direktbindningar av koppar (DBC)
• Inbyggd termistor med negativ temperaturkoefficient (NTC) för temperaturövervakning
• Isoleringsklassificering på 2500 V rms/minut.
• UL-certifiering

Figur 1: IPM:en NFL25065L4BT bildar ett överlappande PFC-steg med fjärde generationens IGBT:er av kisel och en förstärkningsdiod av kiselkarbid på utgången. (Bildkälla: onsemi)

Integrerade karftmoduler av kiselkarbid

För växelriktare för solceller, laddningsstationer för elfordon och liknande tillämpningar som kan dra nytta av en kiselkarbidbaserad Integrerad kraftmodul för att maximera effektleveransen med minskat format och mindre totalvolym, kan konstruktörer använda sig av NXH006P120MNF2PTG. Enheten består av en MOSFET-halvbrygga av kiselkarbid för 6 mΩ, 1200 V och en inbyggd NTC-termistor i en F2-kapsling (figur 2). Kapslingsalternativen omfattar:

• Med eller utan förapplicerat termiskt gränssnittsmaterial (TIM)
• Stift som kan lödas eller pressas

Figur 2: Den integrerade kraftmodulen NXH006P120MNF2PTG levereras i en F2-kapsling med presspassade stift. (Bildkälla: onsemi)

De intelligenta kraftmodulerna har en maximal övergångstemperatur på 175 °C och kräver extern styrning och gatedrivkrets. Tillvalstekniken presspassning, även kallad kallsvetsning, ger en tillförlitlig anslutning mellan stiften och kretskortets pläterade hål. Presspassning ger en förenklad montering utan lödning och ger en gastät, metall-mot-metallanslutning med låg resistans.

Schottky-dioder av kiselkarbid

Schottky-dioder av kiselkarbid kan användas i kombination med intelligenta kraftmoduler eller i 100 % diskreta konstruktioner, och ger bättre switchningsprestanda och högre tillförlitlighet jämfört med dioder av kisel. Schottky-dioder av kiselkarbid, såsom NDSH25170A för 1700 V/25 A, har ingen omvänd återställningsström, utmärkta termiska prestanda och temperaturoberoende switchningsegenskaper. Detta ger högre effektivitet, snabbare switchningsfrekvenser, högre effekttäthet, lägre EMI och enkel parallellkoppling, som alla bidrar till att minska lösningens storlek och kostnad (figur 3). NDSH25170A har följande egenskaper:

• 175 °C maximal övergångstemperatur
• Lavinklassificering på 506 mJ
• Icke-repetitiva överspänningsströmmar upp till 220 A och repetitiva överspänningsströmmar på upp till 66 A.
• Positiv temperaturkoefficient
• Ingen återställning i omvänd riktning och ingen återställning i framåtriktning
• AEC-Q101-kvalificering och PPAP-förmåga

Figur 3: Schottky-dioden NDSH25170A av kiselkarbid för 1700 V/25 A har ingen omvänd återställningsström, utmärkta termiska prestanda och temperaturoberoende switchningsegenskaper. (Bildkälla: onsemi)

Diskreta MOSFET:ar av kiselkarbid

Konstruktörer kan kombinera diskreta Schottky-dioder av kiselkarbid med MOSFET:ar av kiselkarbid för 1200 V från onsemi, som också har överlägsen switchningsprestanda, lägre tillslagsresistans och högre tillförlitlighet jämfört med enheter av kisel. Den kompakta kretsstorleken hos MOSFET:arna ger låg kapacitans och gateladdning. I kombination med den låga tillslagsresistansen bidrar den lägre kapacitansen och gateladdningen till att öka systemeffektiviteten, möjliggöra högre switchningsfrekvenser, öka effekttätheten, minska elektromagnetiska störningar (EMI) och möjliggöra mindre format för lösningar. NTBG040N120SC1 är exempelvis dimensionerad för 1200 V, 60 A och levereras i en D2PAK-7L-kapsling för ytmontering (figur 4). Egenskaperna innefattar:

• 106 nC typisk gateladdning
• 139 pF typisk utgångskapacitans
• 100 % lavintestad
• Drift med 175 °C övergångstemperatur
• AEC-Q101-kvalificerad

Figur 4: MOSFET:en NTBG040N120SC1 av kiselkarbid är dimensionerad för 1200 V/60 A, har en tillslagsresistans på 40 mΩ och levereras i en D2PAK-7L-kapsling för ytmontering. (Bildkälla: onsemi)

MOSFET-gatedrivkrets av kiselkarbid

MOSFET-gatedrivkretsar av kiselkarbid, som exempelvis serien NCx51705 från onsemi, som ger en högre drivspänning än drivkretsar för MOSFET:ar av kisel. Det krävs en gatespänning på 18-20 V för att slå på en MOSFET av kiselkarbid helt och hållet, jämfört med mindre än de 10 V som krävs för att slå på en MOSFET av kisel. Dessutom kräver MOSFET:ar av kiselkarbid -3 till -5 V gatestyrning när enheten stängs av. Konstruktörer kan använda NCP51705MNTXG på sekundärsidan, en enkel 6 A drivkrets med hög hastighet som optimerats för MOSFET:ar av kiselkarbid (figur 5). NCP51705MNTXG ger den maximala nominella drivspänningen för att möjliggöra låga ledningsförluster, och ge höga toppströmmar vid tillslag och avstängning för att minimera switchningsförlusterna.

Figur 5: Förenklad schematisk bild med två NCP51705MNTXG-drivkretsar (mitten till höger) som driver två MOSFET:ar av kiselkarbid (till höger) i en topologi med en halvbrygga. (Bildkälla: onsemi)

Konstruktörer kan använda den integrerade laddningspumpen för att generera en negativ spänningsmatning som användaren kan välja för att ge högre tillförlitlighet på , förbättrad dv/dt-immunitet och snabbare avstängning. I isolerade konstruktioner kan en externt tillgänglig spänningsmatning på 5 V försörja sekundärsidan av digitala optoisolatorer eller optoisolatorer med hög hastighet. Skyddsfunktionerna i NCP51705MNTXG inkluderar termisk avstängning baserad på drivkretsens övergångstemperatur och övervakning av utlåsning vid underspänning i förstärkningsströmmen.

Överväganden för utvärderingskort och gatedrivkrets av kiselkarbid

För att påskynda utvärderings- och konstruktionsprocessen kan konstruktörer använda utvärderingskortet NCP51705SMDGEVB (EVB) för NCP51705 (figur 6). EVB innehåller drivkretsen NCP51705 och alla nödvändiga drivkretsar, inklusive en inbyggd digital isolator och möjligheten att löda in vilken MOSFET av kiselkarbid eller kisel som helst i en TO-247-kapsling. EVB är utformat för användning i alla switchningstillämpningar med primär- och sekundärsida. Två eller fler av dessa utvecklingskort kan konfigureras för totempåledrift.

Figur 6: Utvärderingskortet NCP51705SMDGEVB har hål (överst till vänster) för att ansluta en effekt-MOSFET av kiselkarbid eller kisel, och innehåller drivkretsen NCP51705 (U1, i mitten till vänster) och den digitala isolatorn (mitten till höger). (Bildkälla: onsemi)

Det är viktigt att minimera kretskortets parasiterande induktans och kapacitans när man använder gatedrivkretsen NCP51705 med en MOSFET av kiselkarbid (figur 7). Några överväganden vid layout av kretskortet är:

• NCP51705 ska vara placerad så nära MOSFET:en av kiselkarbid som möjligt, med särskild uppmärksamhet på korta ledningar mellan VDD, SVDD, V5V, laddningspumpen, VEE-kondensatorn och MOSFET:en.
• Banan mellan VEE och PGND ska vara så kort som möjligt.
• Det måste finnas en separation mellan banorna med hög dV/dt-spårningarna och DESAT för att undvika onormal drift som kan uppstå på grund av störningskoppling.
• För konstruktioner med hög temperatur bör termiska genomgående hål användas mellan den exponerade lödön och det yttre lagret för att undvika termisk impedans.
• Breda banor måste användas för OUTSRC, OUTSNK och VEE.

Figur 7: Rekommenderad layout på kretskortet för NCP51705 för att minimera parasitär induktans och kapacitans vid drivning av MOSFET:ar av kiselkarbid. (Bildkälla: onsemi)

Sammanfattning

Kiselkarbid har en viktig roll när det gäller att hjälpa konstruktörer att uppfylla kraven i ett växande antal och en mångfald av energiinfrastrukturtillämpningar. Konstruktörer kan nu använda enheter av kiselkarbid för att konstruera mer effektiva kraftomvandlingskonstruktioner med hög spänning, hög hastighet och hög strömstyrka som leder till mindre lösningar och högre effekttäthet. Det är dock viktigt att välja den optimala kapslingstypen för att få ut de maximala fördelarna vid konstruktion med kiselkarbid.

Som framgår finns det en rad kompromisser när det gäller prestanda, tid till marknaden och kostnader som måste beaktas när man väljer mellan diskreta enheter, intelligenta kraftmoduler och integrerade kraftmoduler. Vid användning av diskreta enheter eller integrerade kraftmoduler är valet av gatedrivkrets av kiselkarbid och en optimal kretskortslayout avgörande för att uppnå tillförlitlig och effektiv systemprestanda.

Rekommenderad läsning

1. Hur man konstruerar med MOSFET:ar av kiselkarbid för att förbättra växelriktarens effektivitet i elbilar.
2. Hur man garanterar säkra och effektiva modulära BESS-installationer med hjälp av löstagbara kontakter för batteripoler