Använda SiC- och GaN-strömkomponenter för att åtgärda EV-designkrav

By Murray Slovick

Contributed By Digi-Keys nordamerikanska redaktörer

Fordonstillverkare utvecklar allt fler elektriska fordon (EV), men deras korta räckvidd är ett problem. Även om aerodynamisk design, lättare material och effektivare strömförbrukning hjälper, så räcker det inte hela vägen. Konstruktörer av kraftelektronik för fordonsindustrin måste använda avancerade halvledarmaterial med brett bandgap (WBG) för att uppfylla effektivitets- och effekttäthetskrav.

Huvudsakligen består de här materialen av galliumnitrid (GaN) och kiselkarbid (SiC) och är en förbättring jämfört med befintliga halvledartekniker som kiselbaserade (Si) MOSFET-enheter och bipolära transistorer med isolerat styre (IGBT:er) genom att de erbjuder lägre förluster, högre switchfrekvenser, högre drifttemperatur, stabilitet i tuffa miljöer samt höga överslagsspänningar. De är särskilt användbara i och med att branschen övergår till batterier med högre kapacitet som arbetar vid högre spänningar med kortare laddningstider och lägre övergripande förluster.

Den här artikeln ger en kort översikt över WBG-tekniken och dess roll i EV-elektronik. Den introducerar sedan lämpliga GaN- och SiC-lösningar, från ROHM Semiconductor, STMicroelectronics, Transphorm och Infineon Technologies och ger vägledning om deras användning.

Fördelarna med WBG-halvledare

Bandgap är energin som krävs för att excitera elektroner från ett materials valensband till ledningsbandet och WBG-material har betydligt större bandgap än silikon (figur 1). Medan Si har ett bandgap på 1,1 elektronvolt (eV) har SiC ett bandgap på 3,3 eV och GaN har ett bandgap på 3,4 eV.

Diagram över Si-halvledare med ett bandgap mellan lednings- och valensbandet

Figur 1: Si-halvledare har ett bandgap mellan lednings- och valensbandet som är mindre än det hos SiC och GaN och därför kallas de två senare halvledare med brett bandgap. (Bildkälla: STMicroelectronics)

WBG-halvledare tillåter enheter att arbete vid mycket högre spänningar, frekvenser och temperaturer än vanligt kisel. Dessutom är switchnings- och ledningsförlusterna lägre. WBG-material har cirka tio gånger bättre lednings- och switchningsegenskaper än Si. Dessa egenskaper gör WBG-teknik till ett naturligt val för kraftelektronik, särskilt för användning i elektriska fordon eftersom SiC- och GaN-komponenter kan göras mindre, kan arbeta snabbare och är effektivare.

Fördelarna med WBG-enheter måste vägas mot komplicerad tillverkning och högre kostnader att masstillverka. WBG-komponenterna var inledningsvis dyrare, men kostnaden fortsätter att sjunka oh i allmänhet ger de övergripande besparingar för systemkostnaden. Till exempel kan användning av SiC-enheter i ett elektriskt fordon ge en inledande extrakostnad på hundratals dollar, men leder till övergripande kostnadsbesparingar från lägre batterikostnader, minskade utrymmeskrav och enklare kylningsmetoder som mindre kylare eller konvektionskylning.

SiC för huvudväxelriktaren

Dragkraftsväxelriktaren, som styr drivelmotorn i elektriska fordon, är ett exempel på ett grundläggande EV-system som kan dra nytta av WBG-komponenter. Växelriktarens huvudfunktion är att omvandla DC-spänning till trefas-AC-vågform för att driva elfordonets motor och därefter omvandla AC-spänningen som utvecklas genom regenerativ bromsning tillbaka till DC-spänning för att ladda batteriet. Växelriktaren omvandlar energi som lagrats i batteripaketet till AC för att driva elmotorn, vilket innebär att ju lägre förlusterna är i energiomvandlingen desto effektivare är systemet. Den förbättrade ledningsförmågan och snabbare switchningsfrekvensen hos SiC-enheter jämfört med kisel minskar kraftförlusten eftersom mindre energi övergår till värme. I slutänden ger den högre effektiviteten hos SiC-baserade växelriktare längre EV-räckvidd.

Kraftmoduler som hanterar höga strömstyrkor är typiskt IGBT-typer som kombinerar Si-IGBT:er med Si-snabbåterhämtningsdioder (FRD:er), en konfiguration som är vanlig i växelriktarmoduler i fordonsindustrin. SiC ger högre drifttemperatur och högre switchningshastigheter än integrerade Si IGBT:er. Dessa förmågor är optimala för dragkraftsväxelriktare med tanke på det kritiska behovet att överföra stora mängder energi till och från batteriet.

Förklaring är att IGBT är ett switchningselement och dess switchningshastighet (påslagningstid, avstängningstid) är en av huvudparametrarna som påverkar effektiviteten (förlusten). Med IGBT:er uppnås lågt motstånd vid hög överslagsspänning på bekostnad av switchningsprestanda. Att enheten är avstängd ger "förlusttid" som ökar switchningsförlusten. Det innebär att IGBT:er har relativt låg effektivitet. Om MOSFET-enheter används istället för IGBT:er i växelriktarmoduler går det att uppnå högre effektivitet på grund av kortare avstängningstiden och högre driftfrekvensen. Dock medför Si-MOSFET-enheter även problem. De har högt motstånd när de är påslagna jämfört med Si-IGBT:er.

Genom att utnyttja SiC:ernas gynnsamma egenskaper kan SiC-MOSFET:er, som nästan är hälften så stora som IGBT:er, kombinera fyra önskvärda egenskaper hos en strömbrytare:

  • Hög spänning
  • Lågt påslagningsmotstånd
  • Snabb switchningshastighet
  • Låga switchningsförluster (särskilt avstängningsförluster)

Det större bandgapet innebär även att SiC-enheter normalt kan användas vid temperaturer från 150 °C till 175 °C och vid korrekt paketering 200 °C eller högre.

När det gäller SiC Schottky-celldioder (SBD:er) bildas en metallkoppling till SiC-halvledaren för att skapa en a Schottky-cell. Men till skillnad från kisel-FRD:er förändras inte deras fördelar betydligt i större ström- och drifttemperaturområden. En komponent av SiC har dessutom ett dielektriskt nedbrytningsfält som är omkring tio gånger så högt som för kisel. Nu masstillverkas SiC-produkter med märkvärden på 1200 volt, så kostnaderna sjunker i motsvarande takt. Dessutom är produkter med märkvärden på 1700 volt under utveckling.

SiC-dioder har dessutom inga återhämtningsförluster framåt och bakåt utan bara små förluster vid kapacitetsladdning. Studier har visat att switchningsförlusterna kan vara 90 % lägre hos SiC-SBD:er jämfört med Si Si-snabbåterhämtningsdioder, där kopplingstemperaturen påverkar återhämtningsström och återhämtningstid. Det innebär att SiC-dioder ger en betydligt lägre godhetstal (FoM) (Qc x Vf) jämfört med Si-dioder. Lägre FOM innebär lägre kraftförluster och därigenom bättre elektrisk prestanda.

Kiselkarbidmaterial har vissa nackdelar. En av dem är den positiva termiska koefficienten, vilket innebär att ju högre temperatur desto högre framspänning (Vf). Om strömmen genom dioden ökar kommer även framspänningen att öka. Den här ledningsförlusten kan leda till termisk instabilitet när högre ström tillförs dioden.

Sammantaget gör dock SiC-MOSFET-enheter och SBD:er det möjligt för systemutvecklare att förbättra verkningsgraden, minska kylarens storlek och kostnad, öka switchningsfrekvensen för att minska storleken på magneterna samt sänka kostnad, storlek och vikt hos den slutliga konstruktionen. En EV-växelriktare som använder SiC-enheter kan göras 5 gånger mindre, 3 gånger lättare och ha 50 % lägre kraftförlust än en Si-baserad motsvarighet.

Till exempel har ROHM Semiconductor utvecklat BSM300D12P2E001 SiC-kraftmoduler med halvbrygga som integrerar SiC MOSFET-enheter med SiC SBD:er i ett enda paket, vilket minimerar switchningsförlusten som tidigare orsakades av IGBT-efterström och FRD-återhämtningsförlust (figur 2).

Kurva för en SiC-kraftmodul med integrerade SiC-MOSFET:er och SBD:er jämfört med en IGBT-modul

Figur 2: En fullständig SiC-kraftmodul med integrerade SiC MOSFET:er och SBD:er möjliggör lägre förluster jämfört med en IGBT-modul, till och med under höghastighetsswitchning. (Bildkälla: ROHM Semiconductor)

ROHM Semiconductors SiC-baserade MOSFET:er har en angiven förlustreduktion på 73 % vid jämförelse med IGBT:er. Deras utbud av MOSFET:er kan hantera upp till 1700 volt med ett påslagningsmotstånd från 45 milliohm (mΩ) till 1150 mΩ. De finns i TO-247N-, TO-3PFM-, TO-268-L- och TO-220-paket.

ROHM producerar även AEC-Q101 bilindustrigodkända SiC Schottky-celldioder som har korta återhämtningstider, förmåga till höghastighetsswitchning, lågt temperaturberoende, låg framspänning och förmåga att hantera upp till 650 volt vid ström mellan 6 och 20 ampere (A).

Rollen för SiC-enheter i elfordon

Tesla var den första tillverkaren av elbilar som integrerade en fullständig SiC-kraftmodul för huvudväxelriktare och gjorde det i Tesla Model 3 sedan. Teslas tidigare bilar, modell S och modell X använde IGBT:er i TO-247-paket. I samarbete med STMicroelectronics har Tesla tagit fram en växelriktare som består av SiC-kraftmoduler som monterats på en kylare.1 MOSFET-enheter, som STMicroelectronics SCT10N120, har märkvärden på 650 volt och har termisk avledning med kopparbasplattor.

Laddningsenheten för elfordon installeras på fabriken och kallas ombordladdare (OBC). I ett elfordon EV eller laddhybridfordon (PHEV) ger OBC möjlighet att ladda batteriet via nätström antingen hemma eller via uttag på privata eller offentliga laddstationer. OBC använder AC/DC-omvandlare för att omvandla 50/60 Hertz (Hz) AC-spänning (100 till 240 volt) till DC-spänning för att ladda högspänningsdrivbatteriet (normalt runt 400 volt DC). Den justerar även DC-nivåerna efter batteriets krav och ger galvanisk isolering och innefattar AC/DC-effektfaktorkorrigering (PFC) (figur 3).

Diagram över en typisk elfordons-OBC, SiC-dioder kan användas i PFC-steget

Figur 3: I en typisk elfordons-OBC kan SiC-dioder användas, till exempel i PFC-steget som förstärkningsdiod eller parallellt med N-kanal-IGBT:er i en totempåletopologi. (Bildkälla: Infineon Technologies)

GaN vinner mark på grund av sin effektivitet

Ett designkrav för OBC:er är att ha högsta möjliga verkningsgrad och tillförlitlighet för att säkerställa snabba laddningstider samtidigt som elfordonstillverkarens krav på begränsat utrymme och vikt uppfylls. OBC-konstruktioner med GaN-teknik kan förenkla EV-kylsystem och förkorta laddningstid och kraftförluster. Kommersiella GaN-kraftenheter ligger något bakom SiC när det gäller marknadsandel i fordonsbranschen, men de har imponerande prestanda och vinner snabbt mark. Som SiC-enheter erbjuder GaN-enheter lägre switchningsförlust, snabbare switchningshastigheter, ökad effekttäthet och möjliggör övergripande sänkningar av systemets storlek, vikt och kostnad.

Till exempel är Transphorms TP65H035WSQA en fordonsindustriklassad AEC-Q101-kvalificerad GaN FET som klarade upp till 175 °C vid lämplighetstest (figur 4). Enheten har ett typiskt påslagningsmotstånd på 35 mΩ i ett standard-TO-247-paket. Som för företrädaren 49 mΩ Gen II TPH3205WSBQA är enheten inriktad på AC/DC OBC:er, DC/DC-omvandlare och DC/AC-växelriktarsystem för laddhybridfordon och batteridrivna elfordon för vilka den aktiverar AC/DC bryggfria totempåle-PFC-konstruktioner.

Bild på Transphorm TPH3205WSBQA 650 volt, 49 mΩ GaN FET

Figur 4: Transphorm TPH3205WSBQA 650 volt, 49 mΩ GaN FET är fordonsindustrigodkänd genom att den har passerat AEC-Q101 stresstest för fordonsklassade diskreta halvledare. (Bildkälla: Transphorm)

Medan en typisk Si MOSFET har ett maximalt dV/dt-värde på 50 volt/nanosekund (ns) switchar TP65H035WS GaN FET vid dV/dt på 100 volt/ns eller högre för att uppnå lägsta möjliga switchningsförlust. Vid den här driftnivån blir till och med layouten ett betydande bidrag till prestandan. Den rekommenderade layouten håller en minimal gatedrivslinga och håller spåren mellan switchningsnoderna mycket korta, med kortast möjliga returspår till kraftbussen och jord. Kraftjordplanet har ett stort tvärsnitt för att uppnå jämn jordpotential genom kretsen. Layouten separerar noggrant kraftjord och IC-jord (liten signal) och sammanfogar dem endast vid FET-kretsens källstift för att undvika möjliga jordöglor

Infineons AIDW20S65C5XKSA1 är också utvecklad för OBC-tillämpningar i hybrid- och elfordon och är en del av företagets femte generation av CoolSiC Schottky-dioder för fordonsindustrin. Den kompletterar företagets IGBT- och CoolMOS-portfölj och uppfyller kraven på fordonstillämpningar i 650-voltsklassen.

Tack vare ett nytt passiviseringslagerkoncept är det här en av de mest robusta fordonsenheterna på marknaden när det gäller fukt-och korrosionsmotstånd. Eftersom den baseras på en 110 mikrometer (µm) tunn kiselplatteknik demonstrerar det en av de bästa FOM:erna i dess kategori som innebär lägre kraftförluster och därigenom bättre elektrisk prestanda.

Jämfört med den traditionella Si FRD förbättrar Infineon CoolSiC fordons-Schottky-dioden effektiviteten hos en OBC med en procentandel vid alla lastförhållanden.

Använda SiC- och GaN-enheter

Tillsammans med noggrann layout, som nämndes ovan, är ett potentiellt problem med SiC-delar deras drivkrav, som är mycket annorlunda än IGBT-enheter. Trots att de flesta transistorer normalt har drivkrav som använder symmetriska skenor (som ±5 volt), kräver SiC-enheter en liten negativ spänning för att säkerställa att de ör helt avstängda och därför kräver de asymmetriska skenor (t.ex. -1 volt till -20 volt).

Medan SiC har överlägsna termiska egenskaper och kan leda stora mängder termisk energi jämfört med kisel kan SiC-delar inneslutas med förpackningar som är utformade och används för Si, som chipbondning och trådbondning. Trots att den här inneslutningsmetoden kan fungera bra med SiC är den endast praktisk för kretsar med lägre frekvens (tiotals kHz). Om höga frekvenser ska användas blir den parasitiska kapacitansen och induktansen för hög, vilket hindrar en SiC-baserad enhet från att nå sin fulla potential.

För att använda GaN-enheter vid sin fulla potential måste höljet ha både mycket låg parasitisk induktans och hög termisk prestanda. Nya inneslutningsmetoder som att innesluta chip i paket som ett flerlagerskretskort har uppnått den nödvändiga prestandan till låg kostnad samtidigt som det undviker trådbondning, som medför sina egna tillförlitlighetsproblem för enheten.

Ett huvudelement som fungerar som gränssnitt mellan styrenheten och kraftenheten är gatedrivaren. Gatedrivarens design är alltid ett problem för elektronikkonstruktörer som anpassar nya enheter och det är viktigt att förstå hur man driver SiC- och GaN-kraftenheter. Kraven är:

  • Hög matningsspänning för att uppnå hög effektivitet genom låga ledningsförluster
  • Hög drivstyrka för att uppnå låga switchningsförluster
  • Snabbt skydd mot kortslutning
  • Mindre utbredningsfördröjning och variation, för hög effektivitet och snabb systemkontroll
  • Hög dv/dt-tålighet

Vissa tidiga GaN-enheter krävde särskilda drivare för att hindra gate-överspänning. Nya generationens E-HEMT:er med bred Vg-tolerans är nu tillgängliga och kan drivas av många standard-MOSFET-drivare genom att ändra gate-spänningstillförseln. GaN FET:er är laterala enheter och kräver därför relativt låg optimal drivspänning. Så övergripande har GaN-enheter liknande gate-drivkrav som Si MOSFET:er och IGBT:er. Kraven innefattar:

  • Mindre gateladdning – lägre drivförlust, snabbare stig- och sjunktider
  • Lägre gatespänning
  • Negativ spänning för att förbättra gate-drivningens stabilitet
  • Ändringshastighetskontroll med ett gate-motstånd

Fördelen är att många SiC- och GaN-lösningar inkluderar ytterligare elektronik i paketet så att de kan be användas direkt som utbyten för befintliga konstruktioner.

Slutsats

För att uppfylla effektivitets- och strömdensitetskraven i EV-system som växelriktare och ombordladdare kan konstruktörer av fordonskraftelektronik nu dra nytta av mer avancerade WBG-halvledare som SiC och GaN. De erbjuder lägre förluster, högre switchfrekvenser, högre drifttemperatur, stabilitet i tuffa miljöer samt höga överslagsspänningar jämfört med traditionella kiselenheter.

GaN och SiC kan arbeta vid högre temperaturer med liknande förväntad livslängd eller vid liknande temperaturer som Si-enheter med längre livslängd. Det ger konstruktören olika designvägar beroende på tillämpningskraven.

Användningen av WBG-material tillåter även konstruktörerna att välja bland flera strategier för att passa deras designmål: välja samma switchningsfrekvens och öka uteffekten; använda samma switchningsfrekvens och minska den kylning som systemet behöver och därigenom minska den totala kostnaden eller öka switchningsfrekvensen samtidigt som samma effektförluster behålls i switchen.

Referenser

  1. "Tesla Model 3 Inverter with SiC Power Module from STMicroelectronics, Complete Teardown Report" (Research And Markets).

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of Digi-Key Electronics or official policies of Digi-Key Electronics.

Om skribenten

Murray Slovick

Om utgivaren

Digi-Keys nordamerikanska redaktörer