Měniče na bázi SiC pracují s vyšším napětím, jejich rozměry jsou menší, a přesto mají podobné elektrické vlastnost jako měniče postavené na technologii Si. Výhodou je, že SiC jsou schopny pracovat při vyšších teplotách, čímž se sniží potřeba chladicího systému. Technologie SiC umožňuje měniči pracovat na vyšší spínací frekvenci, a díky tomu je možno použít menší externí pasivní součástky. Přesto je technologie SiC pod neustálým vývojem, přičemž poslední výsledky vedou k nižšímu odporu v sepnutém stavu, a to povede k dalšímu snížení ztrát energie. Tento článek stručně pojednává o výhodách použití technologie SiC oproti Si v elektro vozidlech. Poté uvede vývoj technologie SiC a provede nás 4. generací SiC MOSFET tranzistorů od ROHM Semiconductor, díky níž lze snížit ztráty energie, náklady a zmenšit design výkonového měniče.

Proč používat SiC?

Elektrovozidla potřebují pro větší dojezd větší kapacitu baterie. Aby se zkrátila doba nabíjení, zvýšilo se napětí baterií až na hodnotu 800 V. V důsledku toho je nutné použít součástky pro toto napětí určené, a která zároveň sníží elektrické ztráty a celkovou hmotnost. SiC MOSFETy 4. generace od ROHM Semiconductor poskytují nižší ztráty díky vyšší toleranci napětí, nižším ztrátám ve vedení a jsou mnohem menší než klasické MOSFET tranzistory. SiC polovodič WBG (Wire Bandgap) nabízí výjimečnou účinnost ve vysokonapěťových spínacích aplikacích ve srovnání s technologií Si MOSFET. Obrázek 1 ukazuje porovnání pěti fyzikálních vlastností SiC a Si: průrazné elektrické napětí, bandgap neboli pásmová mezera, tepelná vodivost a bod tání (teplotní odolnost).

Obrázek 1: Výhody SiC oproti Si MOSFET na základě pěti fyzikálních vlastností. (Zdroj obrázku: ROHM Semiconductors)

Velikost průrazného napětí SiC je desetkrát větší než u Si. To umožňuje navrhovat zařízení s vyššími průraznými napětími při současném snížení tloušťky zařízení. Širší bandgap SiC umožňuje pracovat při mnohem vyšších teplotách. Vyšší tepelná vodivost snižuje potřebu chlazení. Vyšší bod tání zase zvyšuje rozsah provozní teploty. Vyšší rychlost driftu nasycených elektronů SiC vede k vyšším spínacím frekvencím a nižším spínacím ztrátám. Vyšší spínací frekvence umožňuje konstrukci menších filtrů a přídavných pasivní komponent, a to vede ke snížení celkové velikosti produktu.

Vývoj SiC MOSFET tranzistorů

Původní SiC MOSFETy používaly planární strukturu, kde brána (gate) a kanál jsou na povrchu polovodiče. Stejně jako ostatní MOSFETy obsahuje trench buňka drain, gate a source, ale vše uspořádáno vertikálně čili svisle. Kanál je vytvořen vertikálně, paralelně s gate trenchem. Směr toku proudu je vertikální od source k drainu. Ve srovnání s planárním uspořádáním, kde je vše rozloženo vodorovně a vše zabírá značnou plochu, je tato trench struktura velmi kompaktní (obrázek 2).

Obrázek 2: Trench MOSFETy dosahují vyšších hustot a to vertikálním uspořádáním. (Zdroj obrázku: ROHM Semiconductor)

ROHM Semiconductor přešel u 3. generace SiC MOSFETů na konstrukci se dvěma přechody, a to source trench a gate trench. U 4. generace tranzistorů došlo ke zmenšení velikosti, snížení odporu v zapnutém stavu a snížení parazitní kapacity. SiC MOSFETy 4. generace svou strukturou dosáhly významného snížení odporu v sepnutém stavu a zároveň zachování odolnosti vůči případnému zkratu.

Jaké ztráty energie mohou nastat?

Ztráty ve spínaném měniči se skládají ze ztrát ve vedení, ztrát při spínání a ztrát v diodách (obrázek 3).

Obrázek 3: Schéma buck DC/DC měniče, průběh spínání a související ztráty. (Zdroj obrázku: ROHM Semiconductor)

Buck měnič využívá dva MOSFET spínače S_H a S_L. Spínače jsou zapojeny tak, aby byl sepnut vždy jen jeden z nich. Na obrázku 3 vlevo jsou vidět průběhy napětí (V_GSH a V_GSL ), kde jsou jasně patrné „kroky“ způsobené parazitní kapacitou. Dále jsou zobrazeny průběhy napětí V_DSH a V_DSL a proudu I_DH, I_DL pro oba spínače. Pokud je spínač sepnut, V _DS je na nízké úrovni. V opačném vypnutém stavu je napětí V_DS na vysoké úrovni.

V době, kdy je MOSFET S_H v sepnutém stavu, odběrový proud se lineárně zvyšuje, zatímco dochází k nabíjení magnetického pole induktoru. Během této doby, procházející proud skrz odpor kanálu vytváří na něm napětí, a to má za následek ztráty ve vedení (P_COND). Tyto ztráty jsou úměrné druhé mocnině proudu a odporu kanálu. Během časových intervalů, ve kterých spínače mění svůj stav, jsou napětí i proud nenulové a výkon pak úměrně odpovídá napětí, proudu, spínací době přechodu a spínací frekvenci. Toto jsou právě ztráty při spínání.

Obdobná situace nastává v případě sepnutí MOSFET tranzistoru S_L. Zde se proud lineárně snižuje, protože energie uložená v induktoru vytváří drain proud v tranzistoru S_L. Odpor kanálu opět vyzařuje energii jako ztrátu vedení. Napětí V_DSL v S_L spínacím tranzistoru se blíží nule, i když je proud již nenulový, takže s touto částí cyklu nejsou spojeny žádné spínací ztráty. Ztráta P_Qrr je způsobena obnovou diody. Pro jednoduchost je zobrazen pouze průběh pro S_H. P_BODY je ztráta generována proudem vedeným skrz diodu na ve spínači S_L. Celková ztráta je pak součtem všech těchto složek pro oba tranzistory.

Vylepšený výkon 4. generace SiC MOSFETů

Porovnání výkonu Si IGBT a SiC MOSFET 3. a 4. generace bylo provedeno pomocí 5 kW full-bridge invertoru (obrázek 4). V tomto plně můstkovém obvodu jsou spínací tranzistory zapojeny paralelně, aby se dosáhlo vyšších proudů. Můstek tedy využívá celkem osm spínacích tranzistorů (na obrázku jsou vidět připevněny ke chladiči). Střídač pracuje na spínací frekvenci 40 kHz u SiC MOSFET a při 20 kHz u IGBT.

Obrázek 4: Na obrázku je 5 kW měnič bez ventilátoru a jeho schéma. Původně navržený s křemíkovým IGBT běžícím na 20 kHz byl tento obvod provozován s 3. i 4. generací SiC MOSFET na 40 kHz. Byl porovnán výkon všech tří typů polovodičů. (Zdroj obrázku: ROHM Semiconductor)

Tranzistory 3. generace byly SCT3030AL dimenzované na 650 V s R_DS(ON) 30 mΩ. Tranzistory 4. generace byly SCT4026DEC11. Jmenovité napětí 4. generace bylo zvýšeno na 750 V. Odpor R_DS(ON) je 26 mΩ, a to je 13% snížení, které se projeví ve snížení ztrát ve vedení. Porovnání ztrát obou SiC MOSFETů (3. a 4. generace) se ztrátami původního IGBT ukazuje, že došlo ke zlepšení účinnosti (obrázek 5).

Obrázek 5: SiC MOSFET 4.generace výrazně snížily ztráty ve srovnání s původním Si IGBT a MOSFETY 3. generace. (Zdroj obrázku: ROHM Semiconductor)

Tranzistory 4. generace snížily ztráty vedení (modrá barva) z 10,7 W na 9,82 W ve srovnání s 3. generací. Výraznějšího snížení ale bylo dosaženo u spínacích ztrát (oranžová barva), a to pokles z 16,6 W na 8,22 W. Mezi další vylepšení 4. generace patří vylepšené možnosti driveru Gate. SiC MOSFET 4. generace podporuje řízení s 15 V, kdežto tranzistory 3. generace vyžadují 18 V. To znamená, že obvody navržené s Si tranzistory mohou používat MOSFETy 4. generace jako náhradu. Kromě toho je doporučené napájecí napětí během vypínání 0 V pro 4. generaci. MOSFET tranzistory před 4.generací potřebovaly mezi Gate a Source během vypínání záporné předpětí, aby se zabránilo samovolnému zapnutí. Avšak u 4. generace je prahové napětí (V_th) navrženo tak, aby se potlačilo „samozapnutí“ a eliminovala se potřeba záporného předpětí.

MOSFET tranzistory 4. generace

4. generace SiC MOSFET tranzistorů se dělí do dvou skupin na základě typu pouzdra. SCT4026DEC11, o kterém jsme psali výše, je 750 V, 56 A (+25°C ) / 29 A (+100 °C), 26 mΩ SiC MOSFET tranzistor umístěný v TO-247N pouzdru se třemi vývody. Příkladem alternativního pouzdra se čtyřmi vývody je SCT4013DRC15, 750 V, 105 A (+25°C) / 74 A (+100°C), 13 mΩ v TO-247-4L pouzdru.

Pouzdro se čtyřmi vývody má navíc svod, který zlepšuje rychlost přepínání MOSFETu. Standardní pouzdro TO-247N se třemi vývody neizoluje Gate driver od parazitní indukčnosti Source kvůli vysokému odběrovému proudu. Napětí Gate se přivádí mezi piny Gate a Source. Efektivní Gate napětí na čipu je sníženo v důsledku poklesu napětí na parazitní indukčnosti V_L Source, a to způsobuje snížení rychlosti spínání (obrázek 6).

Obrázek 6: Čtvrtý vývod na TO-247-4L izoluje driver Gate od pinu napájecího Source pomocí dalšího spojovacího pinu v Kelvinově zapojení. (Zdroj obrázku: ROHM Semiconductor)

Pouzdro TO-247-4L se čtyřmi vývody rozděluje vývod driveru Gate a Source přímo interně. Tím se minimalizují vlivy parazitní indukčnosti Source. Toto vnitřní rozdělení umožňuje rychlejší spínání a snižuje celkovou ztrátu spínání (zapnutí a vypnutí) až o 35 % ve srovnání s pouzdrem TO-247N se třemi vývody.

Druhou výraznou odlišností 4.generace je jmenovité napětí. Tranzistory jsou k dispozici se jmenovitým napětím 750 V nebo 1200 V. Dva tranzistory, o kterých jsme se zmínily výše, mají jmenovité napětí 750 voltů. Pro aplikace s vyšším napětím je k dispozici SiC N-kanálový MOSFET tranzistor SCT4062KEC11 s 1200 V, 62 mΩ, 26 A (+25 °C) / 18 A (+100 °C) v pouzdru TO-247N se třemi vývody a SCT4036KRC15 s 1200 V, 36 mΩ, 43 A (+25°C)/30 A (+100°C) v TO-247-4L pouzdru se čtyřmi vývody.

Celkem je v současnosti k dispozici deset SiC MOSFETů 4.generace s proudem od 26 A do 105 A při +25°C. Jejich odpor v sepnutém stavu R_DS(ON) se pohybuje v rozmezí 13 až 62 mΩ.

Použití 4. generace v elektromobilech

Vlastnosti 4. generace SiC MOSFETů jsou velmi dobře přizpůsobeny aplikacím pro elektromobily. Příkladem jsou obvody pro baterie s napětím 400 nebo 800 V (obrázek 7).

Obrázek 7: Typické aplikace SiC MOSFETů 4.generace v elektromobilu. (Zdroj obrázku: ROHM Semiconductor)

Na obrázku 7 je blokové schéma EV baterie napětím 400 nebo 800 V, které podporuje obousměrné i rychlé nabíjení. Palubní nabíječka (OBC – onboard charger) obsahuje obvody pro korekci účiníku (PFC) a obousměrný full-bridge CLLC rezonanční převodník (kondenzátor, cívka, cívka, kondenzátor). Externí nabíjecí DC nabíječka „Quiq“ poskytuje přímé nabíjení baterie. Baterie napájí trakční střídač, který převádí stejnosměrný proud na třífázový střídavý proud pro motor. Všechny tyto obvody využívají MOSFETy s různými vlastnostmi,  aby zvládly požadované úrovně výkonu. SiC MOSFETy 4. generace zde zmenšují velikost obvodu, zvyšují jmenovité napětí a zároveň snižují ztráty a náklady.

Závěr

Pro návrháře vysokonapěťových aplikací jako jsou elektromobily, datová centra a základnové stanice jsou SiC MOSFETy 4. generace klíčovými prvky. Tyto tranzistory používají jedinečnou strukturu k výraznému zlepšení účinnosti a zároveň dosáhly snížení rozměrů navrhovaných obvodů.

Dodatečné informace:

• Effective Implementation of SiC Power Devices for Longer-Range Electric Vehicles
• How to Correctly Apply the Right Power Devices to Meet Industrial Power Supply Requirements

Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com