Hur man minskar förluster, förbättrar verkningsgraden och utökar temperaturområdet i tillämpningar med hög effekt

Konstruktörer av tillämpningar med höga effektbehov behöver mindre, lättare och mer effektiva kraftomvandlare som kan arbeta med högre spänningar och temperaturer. Det gäller särskilt för elfordonstillämpningar där sådana förbättringar leder till snabbare laddning och längre räckvidd. För att uppnå dessa förbättringar använder sig konstruktörer av effektomvandlare baserade på teknologier med brett bandgap (WBG), som t.ex. kiselkarbid (SiC).

Jämfört med kisel (Si) arbetar dessa enheter med högre spänning och väger mindre, men har ändå liknande egenskaper för effekthantering. De arbetar också vid högre temperaturer, vilket minskar behovet av kylsystem. Kiselkarbidenheter kan arbeta med en högre switchningsfrekvens, vilket gör det möjligt att använda passiva komponenter som är mindre vilket i sin tur minskar omvandlarens storlek och vikt. Kiselkarbid är fortfarande under ständig utveckling, och de senaste satsningarna har resulterat i lägre "tillslags"-resistans, vilket ytterligare minskar effektförluster.

Artikeln diskuterar kortfattat fördelarna med kiselkarbid jämfört med kisel, i samband med elfordon. Därefter diskuteras utvecklingen av kiselkarbid innan fjärde generationens MOSFET:ar från ROHM Semiconductor introduceras och illustrerar hur de gör det lättare för konstruktörer att minska effektförluster, kostnader och utrymmeskrav på kretskortet.

Varför använda kiselkarbid?

Elfordon behöver utökad batterikapacitet för längre räckvidd. I samband med denna utveckling utökas batterispänningen till 800 V för att minska laddningstiden. Därför behöver elfordonskonstruktörer enheter som klarar högre spänningar och samtidigt minskar de elektriska förlusterna och vikten. Den fjärde generationen MOSFET:ar av kiselkarbid från ROHM Semiconductor har lägre förluster genom högre spänningstolerans, lägre lednings- och switchningsförluster samt ett mindre format.

Kiselkarbid, en halvledare med brett bandgap, erbjuder exceptionell verkningsgrad i switchade högspänningstillämpningar i förhållande till MOSFET-teknik av kisel. En jämförelse av de fysikaliska egenskaperna hos kiselkarbid och kisel visar anledningen till denna förbättring baserad på fem fysikaliska egenskaper: elektrisk fältstyrka för genombrott, bandgap, värmeledningsförmåga och smältpunkt (figur 1).

Figur 1: Här visas fördelarna med MOSFET:ar av kiselkarbid jämfört med MOSFET:ar av kisel, baserat på fem fysikaliska egenskaper. (Bildkälla: ROHM Semiconductor)

Den elektriska fältstyrkan vid genombrott för kiselkarbid är tio gånger högre än för kisel, vilket gör det möjligt att konstruera enheter med högre genombrottsspänningar samtidigt som enhetens tjocklek minskas. Kiselkarbidens bredare bandgap gör att enheten kan arbeta vid mycket högre temperaturer. Högre värmeledningsförmåga minskar den insats som krävs för att kyla enheten, medan den högre smältpunkten ökar drifttemperaturområdet. Slutligen, bidrar den högre mättade hastigheten för elektronavdriften i kiselkarbid till potentiellt högre switchningsfrekvenser och lägre switchningsförluster. De högre switchningsfrekvenserna kräver mindre filter och andra passiva komponenter, vilket ytterligare minskar storlek och vikt.

Utvecklingen med MOSFET:ar

Ursprungliga MOSFET:ar av kiselkarbid hade en plan struktur där enhetens gate och kanal låg på halvledarens yta. Plana enheter är begränsade i sin komponenttäthet eftersom det finns en gräns för hur mycket konstruktioner kan minskas i storlek i ett försök att förbättra enhetens vinst. Genom att använda MOSFET:ar med enkel eller dubbel trench kan man uppnå högre enhetstäthet (figur 2).

Figur 2: MOSFET:ar med trench uppnår högre enhetstäthet genom att anordna enhetsdelarna vertikalt. (Bildkälla: ROHM Semiconductor)

På samma sätt som andra MOSFET:ar innehåller en cell hos en trench-MOSFET drain, gate och source, men de är placerade vertikalt. Kanalen bildas vertikalt, parallellt med gatens trench, med hjälp av fälteffekten. Detta medför att strömriktningen från source till drain blir vertikal. Jämfört med en plan enhet, som sprids horisontellt och tar upp en hel del yta, är denna struktur mycket kompakt.

Strukturen med enkel trench använder en enkel gate-trench. Enheten med dubbel trench har både en gate- och en source-trench. ROHM Semiconductor övergick till strukturen med dubbel trench i samband med tredje generationens MOSFET:ar av kiselkarbid. Den fjärde generationen vidareutvecklade konstruktionen med dubbel trench genom att minska cellstorleken, minska tillslagsresistansen och den parasitära kapacitansen ytterligare, vilket medför mycket lägre effektförluster och möjligheten att använda mindre enheter av kiselkarbid för mer kostnadseffektiva systemkonstruktioner.

En minskning av tillslagsresistansen hos en MOSFET kan försämra dess förmåga att hantera kortslutningar. Den fjärde generationen av MOSFET:ar av kiselkarbid uppnår dock lägre tillslagsresistans utan att göra avkall på tiden för kortslutningstålighet, för att ge enheterna en betydande fördel när det gäller att uppnå både hög verkningsgrad och robust tålighet mot kortslutning.

Förstå förluster

Förluster i en switchande omvandlare kommer från flera källor; de som är förknippade med de aktiva enheterna inkluderar ledningsförluster, switchningsförluster och backdiodsförluster (figur 3).

Figur 3: Kretsschemat visar en buck DC/DC-omvandlare som är märkt för att visa de switchande vågformerna och tillhörande förlustkurvorna. (Bildkälla: ROHM Semiconductor)

Buck-omvandlaren har en totempålekonstruktion med en MOSFET-omkopplare på primärsidan (S_H) och en på sekundärsidan (S_L). Omkopplarna drivs i ofas så att endast en av dem leder åt gången. Gatedrivningens kurvor (V_GSH och V_GSL) visar amplitudstegen på grund av de tillhörande laddningsintervallen för enhetens parasitiska kapacitans. Vågformerna för drain-till-source-spänningen (V_DSH, V_DSL) och drain-strömmen (I_DH, I_DL) för båda enheterna visas. När enheten är på är V_DS låg. När enheten är av är V_DS hög. Under den tid som S_H är aktiv ökar drain-strömmen linjärt samtidigt som den laddar induktorns magnetfält. Strömmen genom kanalresistansen skapar under denna tid en spänning över kanalen, vilket medför ledningsförluster (P_COND) som är proportionerliga med kvadraten för kanalens ström och tillslagsresistans. Under de intervall då enheten ändrar tillstånd är varken spänning eller ström noll och enheten förbrukar effekt som är proportionerlig mot spänningen, strömmen, switchningstiden och switchningsfrekvensen. Detta är switchningsförlusterna.

En liknande situation uppstår när S_L är aktiv. Här minskar strömmen linjärt eftersom den energi som lagras i induktorn förser den sekundära enheten med drain-ström. Återigen avger kanalresistansen effekt som en ledningsförlust. Observera att V_DSL i den sekundära enheten är nära noll innan strömmen blir något annat än noll, så det finns inga associerade switchningsförluster i denna del av cykeln.

Återställningsförlusten (P_Qrr) orsakas vid återställning av enheternas backdiod; för enkelhetens skull visas den endast för primärsidan.

P_body är enheternas backdiodsledning. Denna förlust genereras av den ström som leds genom backdioden på sekundärsidans enhet.

Den totala effektförlusten är summan av alla dessa komponenter för båda transistorerna.

Förbättrad prestanda för fjärde generationens MOSFET:ar av kiselkarbid

En jämförelse av prestandan hos IGBT av kisel samt tredje och fjärde generationens MOSFET:ar med kiselkarbid genomfördes med en 5 kW växelriktare med helbrygga (figur 4). I denna krets är switchningsenheterna parallellkopplade för att ge högre strömkapacitet. Helbryggan använder totalt åtta enheter. De åtta enheterna visas monterade på kylflänsen i den vänstra bilden. Kretsens verkningsgrad utvärderades med hjälp av den ursprungliga IGBT:n och tredje och fjärde generationens MOSFET:ar. Växelriktaren arbetar med en switchningsfrekvens på 40 kHz för MOSFET:ar av kiselkarbid och 20 kHz för IGBT:erna.

Figur 4: Kretsschema för en växelriktare på 5 kW utan fläkt. Kretsen, som ursprungligen konstruerades med IGBT:er av kisel, och drevs med 20 kHz, drevs med både tredje och fjärde generationens MOSFET:ar av kiselkarbid med 40 kHz. Prestandan hos alla tre de halvledartyperna jämfördes. (Bildkälla: ROHM Semiconductor)

Den tredje generationens enhet var en SCT3030AL från ROHM Semiconductor, med en märkspänning på 650 V och en kanalresistans (R_DS(ON)) på 30 mΩ. Fjärde generationens MOSFET var en SCT4026DEC11 från ROHM Semiconductor. Märkspänningen för fjärde generationens enheter höjdes till 750 V. Dess R_DS(ON) är 26 mΩ, en minskning med 13 % som gav något lägre ledningsförluster.

En jämförelse av förlusterna mellan de båda MOSFET:arna av kiselkarbid och förlusterna för den ursprungliga IGBT:n visar att verkningsgraden har förbättrats (figur 5).

Figur 5: Fjärde generationens MOSFET:ar av kiselkarbid minskade förlusterna avsevärt jämfört med den ursprungliga IGBT:n av kisel och tredje generationens enhet. (Bildkälla: ROHM Semiconductor)

Fjärde generationens enheter minskade ledningsförlusterna (blå) från 10,7 till 9,82 W jämfört med tredje generationens enheter. En mer betydande minskning uppnåddes för switchningsförluster (orange), en minskning från 16,6 till 8,22 W.

Ytterligare förbättringar i den fjärde generationens enheter inkluderar förbättrade egenskaper för gatedrivningen. Den fjärde generationens MOSFET:ar av kiselkarbid kan drivas med 15 V; tredje generationens enheter kräver 18 V. Detta innebär att kretsar som konstruerats av kisel kan ersättas av fjärde generationens MOSFET:ar. Dessutom är den rekommenderade drivspänningen vid avstängning 0 V för fjärde generationens MOSFET:ar av kiselkarbid. Före den fjärde generationens produkter behövde gate-to-source-spänningen en negativ förspänning vid avstängning för att förhindra självstart. I den fjärde generationens enheter är dock tröskelspänningen (Vth) utformad för att vara hög för att undertrycka självstart, vilket eliminerar behovet av en negativ förspänning.

Fjärde generationens lösningar

Den fjärde generationens lösningar med MOSFET:ar av kiselkarbid från ROHM Semiconductor delas in i två grupper baserat på enhetens kapsling. SCT4026DEC11, som diskuterades, är en MOSFET av kiselkarbid på 26 mΩ, 750 V, 56 A (+25 °C)/29 A (+100 °C) i en TO-247N-kapsling med tre anslutningar. Ett exempel på en alternativ kapsling med fyra anslutningar är SCT4013DRC15, en enhet på 750 V, 105 A (+25 °C)/74 A (+100 °C), 13 mΩ i en TO-247-4L-kapsling med fyra anslutningar.

Kapslingen med fyra anslutningar har en extra anslutning som förbättrar MOSFET:ens switchningshastighet. Den konventionella kapslingen TO-247N med tre anslutningar isolerar inte gatedrivningen från den parasitiska source-lead-induktansen på grund av hög drain-ström. Grindspänningen appliceras mellan stiften för gate och source. Den effektiva grindspänningen i kretsen minskar på grund av spänningsfallet över source-anslutningens parasitiska induktans (V_L) på källanslutningen, vilket leder till at at switchningshastigheten minskar (figur 6).

Bild 6: Den fjärde anslutningen på TO-247-4L isolerar gatedrivningen från strömkällans anslutning med hjälp av ett extra anslutningsstift i en Kelvin-koppling. (Bildkälla: ROHM Semiconductor)

Kapslingen TO-247-4L med fyra anslutningar delar upp stiften för gatedrivningen och strömkällan och ansluter gatedrivningen direkt till den interna strömkällan. Detta minimerar effekterna av den parasitiska induktansen på source-anslutningen. Den direkta anslutningen av gatedrivningen till den interna source-anslutningen gör det möjligt att maximera switchningshastigheten hos MOSFET:ar av kiselkarbid och minska den totala switchningsförlusten (till- och frånslag) med upp till 35 % jämfört med de konventionella TO-247N-kapslingarna med tre anslutningar.

Den andra särskiljande specifikationen för den fjärde generationens MOSFET:ar av kiselkarbid är spänningsgränsen. Enheterna finns med märkspänningar på 750 eller 1 200 V. De två enheterna som hittills diskuterats har en märkspänning på 750 V. För tillämpningar med högre spänning finns SCT4062KEC11, en MOSFET av kiselkarbid med N-kanal, i en TO-247N-kapsling med tre anslutningar med specifikationerna 1 200 V, 62 mΩ, 26 A (+25 °C)/18 A (+100 °C), medan SCT4036KRC15 är en MOSFET med N-kanal i en TO-247-4L-kapsling med fyra anslutningar med specifikationerna 1 200 V, 36 mΩ, 43 A (+25 °C)/30 A (+100 °C). Totalt finns det för närvarande tio olika MOSFET:ar av kiselkarbid av fjärde generationen tillgängliga, med märkströmmar från 26 till 105 A vid +25 °C. De har värden för R_DS(ON) på mellan 13 och 62 mΩ.

Tillämpningar för elfordon

Specifikationerna för den fjärde generationens MOSFET av kiselkarbid är väl anpassade för elfordonstillämpningar. Elektriska batterifordon (BEV) med spänningar på 400 eller 800 V är ett exempel på detta (figur 7).

Figur 7: Typiska tillämpningar för den fjärde generationens MOSFET av kiselkarbid i ett elektriskt batterifordon med tillhörande externa tillbehör. (Bildkälla: ROHM Semiconductor)

Figur 7 visar ett blockschema över ett elektriskt batterifordon, med en batterispänning på 400 eller 800 V, med stöd för både dubbelriktad laddning och snabbladdning. Den inbyggda laddaren (OBC) innehåller kretsar för effektfaktorkorrigering med totempålar och en dubbelriktad CLLC-resonansomvandlare (kondensator, induktor, induktor, kondensator) med helbrygga. Den externa likströmsladdaren för "Quiq"-laddning erbjuder snabbladdning av batteriet. Batteriet driver växelriktaren, som omvandlar likström till växelström med tre faser för att driva motorn. Alla dessa kretsar använder MOSFET:ar i olika kretskonfigurationer för att hantera de effektnivåer som krävs. Den fjärde generationens MOSFET:ar av kiselkarbid är viktiga eftersom de minskar kretsens fysiska storlek och ökar spänningen samtidigt som de minskar förluster och kostnader.

Sammanfattning

För konstruktörer av tillämpningar med hög spänning och hög effekt, inklusive elfordon, datacenter och basstationer, är fjärde generationens MOSFET:ar av kiselkarbid viktiga effektswitchande enheter. De använder en unik struktur för att avsevärt förbättra effektiviteten i kraftomvandlingen genom att minska förlusterna, samtidigt som de minskar utrymmesbehovet på kretskortet och kostnaderna.

Rekommenderad läsning:

1. Effektiv implementering av effektenheter av kiselkarbid för längre räckvidd med elfordon
2. Hur man väljer rätt effektkomponenter för att möta kraven för industriell strömförsörjning