Cum se proiectează MOSFET-urile SiC integrate pentru a îmbunătăți eficiența invertoarelor de tracțiune pentru vehicule electrice

Inginerii trebuie să facă un compromis între performanța și autonomia vehiculelor electrice moderne (EV). Accelerarea mai rapidă și vitezele de croazieră mai mari necesită opriri mai frecvente și de mai lungă durată pentru reîncărcare. Alternativ, o autonomie mai mare are drept consecință un progres mai lent. Pentru a crește autonomia și, în același timp, pentru a oferi șoferilor performanțe mai mari, inginerii trebuie să proiecteze grupuri motopropulsoare care să asigure un transfer cât mai mare de energie de la baterie către roțile acționate. La fel de importantă este și necesitatea de a menține grupurile motopropulsoare suficient de mici pentru a se încadra între limitele vehiculului. Aceste cerințe duble necesită atât componente cu eficiență ridicată, cât și componente cu densitate energetică ridicată.

Componenta cheie a grupului motopropulsor al unui EV este invertorul sursei de tensiune trifazat (sau „invertorul de tracțiune”), care convertește tensiunea c.c. a bateriilor în c.a. necesar pentru motorul sau motoarele electrice ale vehiculului. Construirea unui invertor de tracțiune eficient este esențială pentru a reduce compromisul dintre performanță și autonomie, iar una dintre căile principale de îmbunătățire a eficienței este utilizarea adecvată a dispozitivelor semiconductoare cu bandă largă (WBG), din carbură de siliciu (SiC).

Acest articol descrie rolul invertorului de tracțiune pentru vehiculele electrice. În continuare, se explică modul în care proiectarea unității cu tranzistoare cu efect de câmp tip metal-oxid-semiconductor (MOSFET) SiC de putere poate produce un grup motopropulsor pentru EV mai eficient decât unul care utilizează tranzistoare bipolare cu poartă izolată (IGBT). Articolul se încheie cu un exemplu de invertor de tracțiune bazat pe MOSFET SiC și cu sfaturi de proiectare pentru a maximiza eficiența unității.

Ce este un invertor de tracțiune?

Invertorul de tracțiune al unui vehicul electric transformă curentul continuu furnizat de bateriile de înaltă tensiune (HV) ale vehiculului în curentul alternativ de care are nevoie motorul electric pentru a produce cuplul necesar pentru a mișca vehiculul. Performanța electrică a invertorului de tracțiune are un impact semnificativ asupra accelerației și autonomiei de rulare a vehiculului.

Invertoarele de tracțiune contemporane sunt acționate de sisteme de baterii de înaltă tensiune, de 400 de volți sau, mai recent, de modele cu 800 de volți. Cu curenți ai invertorului de tracțiune de 300 de amperi (A) sau mai mari, un dispozitiv alimentat de un sistem de baterii de 800 de volți este capabil să furnizeze putere de peste 200 de kilowați (kW). Pe măsură ce a crescut puterea, dimensiunea invertoarelor s-a redus, ceea ce a dus la creșterea semnificativă a densității de putere.

Vehiculele electrice cu sisteme de baterii de 400 de volți necesită invertoare de tracțiune cu dispozitive semiconductoare de putere cu o putere nominală cuprinsă între 600 și 750 de volți, în timp ce vehiculele de 800 de volți necesită dispozitive semiconductoare cu o putere nominală cuprinsă între 900 și 1200 de volți. De asemenea, componentele de putere utilizate în invertoarele de tracțiune trebuie să fie capabile să gestioneze curenți de vârf c.a. de peste 500 A timp de 30 de secunde (s) și un curent alternativ maxim de 1600 A timp de 1 milisecundă (ms). În plus, tranzistoarele de comutare și driverele de poartă utilizate pentru dispozitiv trebuie să fie capabile să gestioneze aceste sarcini mari, menținând în același timp o eficiență ridicată a invertorului de tracțiune (Tabelul 1).

Tabelul 1: cerințele tipice ale unui invertor de tracțiune din 2021; densitatea de energie arată o creștere de 250%, comparativ cu 2009. (Sursa imaginii: Steven Keeping)

De obicei, un invertor de tracțiune include trei elemente de punte parțială (comutatoare high-side plus low-side), câte unul pentru fiecare fază a motorului, cu drivere de poartă care controlează comutarea low-side a fiecărui tranzistor. Întregul ansamblu trebuie să fie izolat galvanic de circuitele de joasă tensiune (LV) care alimentează restul sistemelor vehiculului (Figura 1).

Figura 1: un vehicul electric necesită un invertor trifazat pentru sursa de tensiune (invertor de tracțiune) pentru a converti energia bateriei c.c. de înaltă tensiune (HV) în energia de curent alternativ necesară pentru motorul sau motoarele electrice ale vehiculului. Sistemul HV, inclusiv invertorul de tracțiune, este izolat de sistemul convențional de 12 volți al vehiculului. (Sursa imaginii: ON Semiconductor)

Comutatoarele din exemplul prezentat în Figura 1 sunt IGBT-uri. Acestea sunt de mult timp o alegere populară pentru un invertor de tracțiune, deoarece sunt capabile să gestioneze tensiuni ridicate, comută rapid, oferă eficiență bună și sunt relativ ieftine. Cu toate acestea, pe măsură ce costul MOSFET-urilor de putere SiC a scăzut și acestea au devenit mai disponibile pe piață, inginerii se orientează către aceste componente datorită avantajelor lor semnificative față de IGBT-uri.

Avantajul MOSFET-urilor SiC pentru driverele de poartă de înaltă eficiență

Principalele avantaje de performanță ale MOSFET-urilor de putere SiC față de MOSFET-urile și IGBT-urile convenționale din siliciu (Si) derivă din substratul semiconductor WBG al dispozitivelor. MOSFET-urile din Si au o energie de bandă de 1,12 electron-volți (eV) în comparație cu cea a MOSFET-urilor SiC de 3,26 eV. Asta înseamnă că tranzistorul WBG poate rezista la tensiuni de străpungere mult mai mari decât dispozitivele Si, precum și la o tensiune de câmp de străpungere rezultată de aproximativ zece ori mai mare decât cea a Si. Tensiunea ridicată de câmp de străpungere permite o reducere a grosimii dispozitivului pentru o anumită tensiune, reducând rezistența la „pornire” (R_DS(ON)) și, astfel, reducând pierderile la comutare și îmbunătățind capacitatea de transport a curentului.

Un alt avantaj cheie al SiC este conductivitatea sa termică, care este de aproximativ trei ori mai mare decât cea a Si. O conductivitate termică mai mare duce la o creștere mai mică a temperaturii de joncțiune (T_j) pentru o anumită disipare de putere. De asemenea, MOSFET-urile SiC pot tolera o temperatură maximă de joncțiune mai mare (T_j(max)) decât Si. O valoare T_j(max) tipică pentru un MOSFET Si este de 150 ˚C; dispozitivele SiC pot rezista la o T_j(max) de până la 600 ˚C, deși dispozitivele comerciale sunt, de obicei, evaluate la 175-200 ˚C. Tabelul 2 prezintă o comparație a proprietăților dintre Si și 4H-SiC (forma cristalină de SiC utilizată în mod obișnuit la fabricarea MOSFET-urilor).

Tabelul 2: câmpul de străpungere, conductivitatea termică și temperatura maximă de joncțiune ale unui MOSFET SiC fac din acesta o alegere mai bună decât Si pentru aplicațiile de comutare de curent ridicat și tensiune ridicată. (Sursa imaginii: ON Semiconductor)

Tensiunea de străpungere ridicată, R_DS(ON) scăzută, conductivitatea termică ridicată și T_j(max) ridicată permit unui MOSFET SiC să reziste la un curent și o tensiune mult mai mari decât un MOSFET Si de dimensiuni similare.

IGBT-urile sunt, de asemenea, capabile să gestioneze tensiuni și curenți mari și tind să fie mai puțin costisitoare decât MOSFET-urile SiC – un motiv major pentru care sunt preferate în proiectele invertoarelor de tracțiune. Dezavantajul IGBT-urilor, în special atunci când dezvoltatorul încearcă să maximizeze densitatea de energie, este restricția privind frecvența maximă de operare din cauza „curentului de amortizare” și a opririi relativ lente. În schimb, un MOSFET SiC este capabil să gestioneze comutarea de înaltă frecvență la fel ca un MOSFET Si, dar cu capacitatea unui IGBT de gestionare a tensiunii și curentului.

Disponibilitatea mai largă a MOSFET-urilor SiC

Până de curând, prețul relativ ridicat al MOSFET-urilor SiC a făcut ca utilizarea lor să se limiteze la invertoarele de tracțiune pentru vehiculele electrice de lux, dar scăderea prețurilor a făcut ca MOSFET-urile SiC să devină o opțiune pentru o gamă mai largă de produse.

Două exemple ale acestei noi generații de MOSFET-uri de putere SiC provin de la ON Semiconductor: NTBG020N090SC1 și NTBG020N120SC1. Diferența majoră dintre dispozitive este că primul are o tensiune maximă de la consumator la sursă (V_(BR)DSS) de 900 de volți, cu o tensiune de la poartă la sursă (V_GS) de 0 volți și un curent continuu de scurgere (I_D) de 1 miliamper (mA), în timp ce al doilea are o tensiune maximă V_(BR)DSS de 1200 de volți (în aceleași condiții). T_j maximă pentru ambele dispozitive este de 175 ˚C. Ambele dispozitive sunt MOSFET-uri cu un singur canal N într-un pachet D2PAK-7L (Figura 2).

Figura 2: MOSFET-urile de putere SiC NTBG020N090SC1 și NTBG020N120SC1 cu canal N sunt furnizate în pachet D2PAK-7L și diferă în primul rând prin valorile V_(BR)DSS de 900 și, respectiv, 1200 de volți. (Sursa imaginii: Steven Keeping, folosind materiale de la ON Semiconductor)

NTBG020N090SC1 are un R_DS(ON) de  20 miliohmi (mΩ) cu un V_GS de  15 volți (I_D = 60 A, T_j = 25 ˚C), și un R_DS(ON) de 16 mΩ cu un V_GS de 18 volți (I_D = 60 A, T_j = 25 ˚C). Curentul direct maxim al diodei cu scurgere continuă la sursă (I_SD) este de 148 A (V_GS = −5 volți, T_j = 25 ˚C), iar curentul direct maxim al diodei cu scurgere în impulsuri la sursă (I_SDM) este de 448 A (V_GS = −5 volți, T_j = 25 ˚C). NTBG020N120SC1 are un R_DS(ON) de 28 mΩ la V_GS de 20 volți (I_D = 60 A, T_j = 25 ˚C). I_SD maxim este de 46 A (V_GS = −5 volți, T_j = 25 ˚C), iar I_SDM maxim este de 392 A (V_GS = −5 volți, T_j = 25 ˚C).

Proiectarea cu MOSFET-uri SiC

În ciuda avantajelor lor, proiectanții care doresc să încorporeze MOSFET-uri SiC în proiectele lor de invertoare de tracțiune trebuie să fie conștienți de o complicație semnificativă; tranzistorii au cerințe dificile în ceea ce privește acționarea porții. Unele dintre aceste provocări apar din faptul că, în comparație cu MOSFET-urile Si, MOSFET-urile SiC prezintă o transconductanță mai mică, o rezistență internă mai mare a porții, iar pragul de activare a porții poate fi sub 2 volți. Drept urmare, poarta trebuie să fie trasă sub masă (de obicei la -5 volți) în timpul stării de oprire, pentru a asigura o comutare corectă.

Cu toate acestea, provocarea cheie legată de acționarea porții provine din faptul că trebuie aplicat un V_GS ridicat (până la 20 de volți) pentru a asigura un R_DS(ON) scăzut. Funcționarea unui MOSFET SiC la un V_GS prea mic poate cauza stres termic sau chiar defecțiuni din cauza disipării de energie (Figura 3).

Figura 3: pentru MOSFET-ul SiC NTBG020N090SC1, este necesar un V_GS ridicat pentru a evita stresul termic cauzat de R_DS(ON) ridicat. (Sursa imaginii: ON Semiconductor)

În plus, deoarece un MOSFET SiC este un dispozitiv cu amplificare scăzută, proiectantul trebuie să ia în considerare impactul pe care acest lucru îl are asupra altor câteva caracteristici dinamice importante atunci când proiectează un circuit de acționare a porții. Aceste caracteristici includ platoul Miller de încărcare a porții și cerința de protecție la supracurent.

Aceste complicații de proiectare necesită un driver de poartă specializat cu următoarele atribute:

• O capacitate de a furniza o acționare V_GS de la -5 până la 20 de volți pentru a profita pe deplin de avantajele de performanță ale MOSFET-ului SiC. Pentru a asigura un plafon adecvat pentru a îndeplini această cerință, circuitul de acționare a porții trebuie să poată rezista la V_DD = 25 volți și V_EE = -10 volți.
• V_GS trebuie să aibă margini rapide de creștere și scădere, de ordinul a câteva nanosecunde (ns).
• Acționarea porții trebuie să poată genera un curent de poartă de vârf maxim, de ordinul a câtorva amperi, în întreaga regiune a platoului Miller a MOSFET-ului.
• Valoarea nominală a curentului absorbit ar trebui să o depășească pe cea care ar fi necesară doar pentru a descărca capacitanța la intrare a MOSFET-ului SiC. Pentru topologiile de putere de înaltă performanță, cu punte parțială, ar trebui să se ia în considerare un curent absorbit de vârf minim de ordinul a 10 A.
• Inductanță parazită redusă pentru comutare de mare viteză.
• Pachet de driver de mici dimensiuni, ce poate fi amplasat cât mai aproape de MOSFET-ul SiC și care poate spori densitatea de energie.
• O funcție de desaturare (DESAT) capabilă să asigure detecția, raportarea defecțiunilor și protecția pentru o funcționare fiabilă pe termen lung.
• Un nivel de blocare a subtensiunii V_DD (UVLO) conform cu cerința ca V_GS > 16 volți înainte de începerea comutării.
• Capacitatea de monitorizare V_EE UVLO pentru a asigura amplasarea șinei de tensiune negativă într-un interval acceptabil.

ON Semiconductor a introdus un driver de poartă conceput pentru a îndeplini aceste cerințe în proiectele invertoarelor de tracțiune. Driverul de poartă pentru MOSFET SiC NCP51705MNTXG prezintă un nivel ridicat de integrare, ceea ce îl face compatibil nu numai cu MOSFET-urile SiC ale acestora, ci și cu cele de la o gamă largă de producători. Dispozitivul include multe funcții de bază comune pentru driverele de poartă de uz general, dar prezintă și cerințele specializate necesare pentru proiectarea unui circuit de acționare de poartă fiabil pentru MOSFET SiC, folosind componente externe minime.

De exemplu, NCP51705MNTXG încorporează o funcție DESAT care poate fi implementată folosind doar două componente externe. DESAT este o formă de protecție la supracurent pentru IGBT-uri și MOSFET-uri, pentru a monitoriza un defect prin care V_DS poate crește la I_D maxim. Acest lucru poate afecta eficiența și, în cel mai rău caz, poate deteriora MOSFET-ul. Figura 4 arată modul în care NCP51750MNTXG monitorizează V_DS al MOSFET-ului (Q1) prin intermediul pinului DESAT prin R1 și D1.

Figura 4: funcția DESAT a dispozitivului NCP51705MNTXG măsoară V_DS pentru comportament anormal în timpul perioadelor de I_D maxim și implementează protecția la supracurent. (Sursa imaginii: ON Semiconductor)

Driverul de poartă NCP51705MNTXG dispune și de UVLO programabil. Aceasta este o caracteristică importantă pentru acționarea MOSFET-urilor SiC, deoarece ieșirea componentei de comutare trebuie să fie dezactivată până când V_DD trece peste un prag cunoscut. Dacă se permite driverului să comute MOSFET-ul la V_DD scăzut, dispozitivul poate fi deteriorat. UVLO programabil al NCP51705MNTXG nu numai că protejează sarcina, ci și confirmă controlerului că V_DD aplicat este peste pragul de activare. Pragul de activare UVLO este setat cu o singură rezistență între UVSET și SGND (Figura 5).

Figura 5: pragul de activare UVLO pentru MOSFET-ul SiC NCP51705MNTXG este setat de rezistența UVSET, R_UVSET, care este aleasă în funcție de tensiunea de activare UVLO dorită, V_ON. (Sursa imaginii: ON Semiconductor)

Izolare digitală pentru invertoarele de tracțiune

Pentru a finaliza proiectarea unui invertor de tracțiune, inginerul trebuie să se asigure că partea de joasă tensiune a sistemului electronic al vehiculului este izolată de tensiunile și curenții ridicați care trec prin invertor (Figura 2 de mai sus). Cu toate acestea, deoarece microprocesorul care controlează driverele de poartă HV se află pe partea LV, orice izolare trebuie să permită trecerea semnalelor digitale de la microprocesor la driverele de poartă. De asemenea, ON Semiconductor oferă o componentă pentru această funcție, NCID9211R2, un izolator digital ceramic bidirecțional, de mare viteză, cu două canale.

NCID9211R2 este un izolator digital izolat galvanic, full-duplex, care permite trecerea semnalelor digitale între sisteme fără a conduce bucle de masă sau tensiuni periculoase. Dispozitivul dispune de o izolație maximă de lucru de 2000 de volți_{de vârf}, o respingere în mod comun de 100 de kilovolți/milisecundă (kV/ms) și un debit de date de 50 de megabiți pe secundă (Mbit/s).

Condensatoarele ceramice în afara plăcii formează bariera de izolare prezentată în Figura 6.

Figura 6: schemă bloc care ilustrează un singur canal al izolatorului digital NCID9211R2. Condensatoarele din afara plăcii formează bariera de izolare. (Sursa imaginii: ON Semiconductor)

Semnalele digitale sunt transmise prin bariera de izolare folosind o modulație ON-OFF keying (OOK). Pe partea emițătorului, starea logică a intrării V_IN este modulată cu un semnal purtător de înaltă frecvență. Semnalul rezultat este amplificat și transmis către bariera de izolare. Partea receptorului detectează semnalul de barieră și îl demodulează folosind o tehnică de detectare tip anvelopă (Figura 7). Semnalul de ieșire determină starea logică a ieșirii V_O atunci când comanda de activare a ieșirii EN este ridicată. V_O trece în mod implicit la o stare joasă de înaltă impedanță atunci când sursa de alimentare a emițătorului este oprită sau când intrarea V_IN este deconectată.

Figura 7: izolatorul digital NCID9211 utilizează modulația OOK pentru a transmite informații digitale prin bariera de izolare. (Sursa imaginii: ON Semiconductor)

Concluzie

MOSFET-urile de putere SiC sunt o opțiune bună pentru invertoarele de tracțiune de înaltă eficiență și de densitate ridicată de putere pentru vehiculele electrice, dar caracteristicile lor electrice vin cu provocări unice de proiectare în ceea ce privește driverele de poartă și protecția dispozitivului. În plus față de provocările de proiectare, inginerii trebuie să se asigure și că designul invertorului de tracțiune oferă o izolare de nivel înalt față de componentele electronice sensibile LV ale vehiculului.

După cum s-a arătat, pentru a simplifica dezvoltarea tehnică, ON Semiconductor oferă o gamă de MOSFET-uri SiC, drivere de poartă specializate și izolatoare digitale pentru a satisface cerințele invertoarelor de tracțiune și pentru a găsi un echilibru mai bun între o rază lungă de acțiune și performanță ridicată pentru vehiculele electrice moderne.