Cum să creșteți eficiența și fiabilitatea infrastructurii energetice, reducând în același timp costurile

Proiectanții de infrastructuri energetice, de la stațiile de încărcare a vehiculelor electrice (VE) și invertoarele solare la sistemele de stocare a energiei și sistemele de alimentare neîntreruptibilă, sunt în permanență provocați să reducă amprenta de carbon, să îmbunătățească fiabilitatea și să scadă costurile.

Pentru a atinge aceste obiective, aceștia trebuie să analizeze cu atenție modul în care își pot optimiza soluțiile de conversie a puterii pentru a reduce pierderile la conducție și comutare, pentru a menține o bună performanță termică, a reduce factorul de formă general și a reduce interferențele electromagnetice (EMI). De asemenea, trebuie să se asigure că soluția aleasă este capabilă să respecte procesul de aprobare a pieselor de producție (PPAP) și că este calificată conform AEC-Q101.

Pentru a face față acestor provocări, proiectanții pot apela la o varietate de MOSFET-uri de putere din carbură de siliciu (SiC), diode Schottky SiC, circuite integrate de comandă a porții și module de putere.

Acest articol trece în revistă modul în care tehnologia SiC poate crește eficiența și fiabilitatea și poate reduce costurile, în comparație cu abordările clasice pe bază de siliciu (Si). În continuare, se analizează opțiunile de încapsulare și integrare a sistemului pentru SiC, apoi se prezintă câteva exemple din lumea reală de la onsemi și se arată modul în care proiectanții le pot aplica cel mai bine pentru a optimiza performanța MOSFET-urilor de putere SiC și a driverelor de poartă pentru a face față provocării infrastructurii energetice.

SiC vs Si

SiC este un material cu bandă largă (WBG), cu o bandă de 3,26 electroni-volți (eV) în comparație cu banda de 1,12 eV a Si. De asemenea, oferă o capacitate a câmpului de străpungere de 10 ori mai mare, o conductivitate termică de peste 3 ori mai mare și poate funcționa la temperaturi mult mai ridicate în comparație cu Si. Aceste specificații fac ca SiC să fie foarte potrivit pentru utilizarea în aplicațiile de infrastructură energetică (Tabelul 1).

Tabelul 1: proprietățile materiale ale 4H-SiC în comparație cu Si arată că SiC este bine adaptată pentru utilizarea în aplicațiile de infrastructură energetică. (Sursa imaginii: onsemi)

Câmpul de străpungere mai mare permite dispozitivelor SiC mai subțiri să aibă aceeași tensiune nominală ca și dispozitivele Si mai groase, iar dispozitivele SiC mai subțiri au o rezistență la pornire mai mică și o capacitate de curent mai mare. Parametrul de mobilitate al SiC este de același ordin de mărime ca și Si, ceea ce face ca ambele materiale să poată fi utilizate în conversia de energie de înaltă frecvență, care acceptă factori de formă compactă. Conductivitatea termică mai mare a acestora înseamnă că dispozitivele SiC înregistrează o creștere mai mică a temperaturii la niveluri mai ridicate de curent. Temperatura de funcționare a dispozitivelor SiC este limitată de factorii de încapsulare, cum ar fi legăturile de sârmă, nu de caracteristicile materialului SiC. Prin urmare, selectarea stilului optim de încapsulare este un aspect important pentru proiectanți atunci când utilizează SiC.

Caracteristicile materialului SiC îl fac o alegere superioară pentru multe proiecte de conversie a puterii de înaltă tensiune, de mare viteză, de curent mare și de densitate mare. În multe cazuri, întrebarea nu este dacă să se utilizeze SiC, ci care tehnologie de încapsulare SiC oferă compromisurile optime în ceea ce privește performanța și costurile.

Proiectanții au la dispoziție trei opțiuni de încapsulare de bază atunci când utilizează tehnologia de putere SiC: dispozitive discrete, module de putere inteligente (IPM) sau module integrate de putere (PIM), fiecare dintre acestea oferind un set unic de compromisuri în materie de costuri și performanțe (Tabelul 2). De exemplu:

• Dispozitivele discrete sunt, în general, preferate atunci când costul este un considerent principal, cum ar fi aplicațiile de consum. De asemenea, acestea acceptă surse duble și au o durată de viață lungă.
• Soluțiile IPM reduc timpul de proiectare, au cea mai mare fiabilitate și sunt cele mai compacte soluții pentru niveluri moderate de putere.
• PIM-urile pot susține proiecte de putere mai mare cu densități de putere bune, timp de lansare pe piață rezonabil de rapid, o mare varietate de opțiuni de proiectare și mai multe oportunități pentru surse duble, în comparație cu IPM-urile.

Tabelul 2: compararea caracteristicilor de integrare și a compromisurilor atunci când se alege între soluțiile de încapsulare SiC discrete, IPM și PIM. (Sursa imaginii: onsemi)

IPM-uri hibride Si/SiC

Deși este posibil să se dezvolte soluții care utilizează numai dispozitive SiC, uneori este mai rentabil să se utilizeze modele hibride Si/SiC. De exemplu, IPM-ul hibrid NFL25065L4BT de la onsemi combină IGBT-uri Si de generația a patra cu o diodă de amplificare SiC la ieșire pentru a forma un etaj de intrare cu corecție a factorului de putere (PFC) intercalat pentru aplicații de consum, industriale și medicale (Figura 1). Acest IPM compact include o comandă de poartă optimizată pentru IGBT-uri, pentru a minimiza EMI și pierderile. Caracteristicile de protecție integrate includ blocarea la subtensiune, oprirea la supracurent, monitorizarea termică și raportarea defecțiunilor. Alte caracteristici ale NFL25065L4BT includ:

• PFC 600 volți/50 amperi (A) bifazat intercalat cu două faze
• Optimizare pentru o frecvență de comutare de 20 kilohertzi (kHz)
• Rezistență termică scăzută folosind un substrat de cupru cu legătură directă (DBC) din oxid de aluminiu
• Termistor cu coeficient de temperatură negativ (NTC) integrat pentru monitorizarea temperaturii
• Izolație nominală cu o rădăcină medie pătratică de 2500 volți (rms)/1 minut
• Certificare UL

Figura 1: IPM NFL25065L4BT formează un etaj PFC intercalat folosind IGBT-uri Si de generația a patra cu o diodă de amplificare SiC la ieșire. (Sursa imaginii: onsemi)

PIM-uri SiC

Pentru invertoarele solare, stațiile de încărcare a vehiculelor electrice și alte aplicații similare care pot beneficia de utilizarea unui PIM pe bază de SiC pentru a maximiza livrarea de energie cu o amprentă redusă și un volum total mai mic, proiectanții pot apela la NXH006P120MNF2PTG. Acest dispozitiv include o punte MOSFET SiC de 6 miliohmi (mΩ), 1200 de volți, cu o jumătate de punte MOSFET SiC și un termistor NTC integrat într-un pachet F2 (Figura 2). Opțiunile de încapsulare includ:

• Cu sau fără material de interfață termică preaplicat (TIM)
• Pini aplicați prin lipire sau pini cu fixare prin presare

Figura 2: modulul de putere integrat NXH006P120MNF2PTG este livrat într-o capsulă F2 cu pini de fixare prin presare. (Sursa imaginii: onsemi)

Aceste IPM-uri au o temperatură maximă de funcționare a joncțiunii de 175 de grade Celsius (°C) și necesită control extern și drivere de poartă. Tehnologia opțională de fixare prin presare, denumită și sudare la rece, asigură o conexiune fiabilă între pini și găurile placate de pe placa de circuite imprimate. Fixarea prin apăsare asigură o asamblare simplificată fără lipire și produce o conexiune metal-metal etanșă la gaz, cu rezistență scăzută.

Diode Schottky SiC

Diodele Schottky SiC pot fi utilizate în combinație cu IPM-uri sau în proiecte 100% discrete și oferă performanțe de comutare mai bune și o fiabilitate mai mare în comparație cu diodele Si. Diodele Schottky SiC, cum ar fi NDSH25170A de 1700 volți/25 A, nu au curent de recuperare inversă, au performanțe termice excelente și caracteristici de comutare independente de temperatură. Acestea se traduc printr-o eficiență mai mare, frecvențe de comutare mai rapide, densități de putere mai mari, interferențe electromagnetice mai mici și paralelizare ușoară, toate acestea contribuind la reducerea dimensiunii și a costurilor soluției (Figura 3). Caracteristicile modelului NDSH25170A includ:

• 175 °C temperatură maximă de joncțiune
• 506 milijouli (mJ) nominali în condiții de avalanșă
• Curent de supratensiune nerepetitiv de până la 220 A și curenți de supratensiune repetitivi de până la 66 A
• Coeficient de temperatură pozitiv
• Fără recuperare inversă și fără recuperare directă
• Calificarea AEC-Q101 și capacitatea PPAP

Figura 3: dioda Schottky SiC NDSH25170A de 1700 volți/25 A nu are curent de recuperare inversă, are performanțe termice excelente și caracteristici de comutare independente de temperatură. (Sursa imaginii: onsemi)

MOSFET-uri discrete SiC

Proiectanții pot combina Schottky-urile discrete SiC cu MOSFET-urile SiC de 1200 V de la onsemi, care au, de asemenea, performanțe de comutare superioare, rezistență la pornire mai mică și fiabilitate mai mare în comparație cu dispozitivele Si. Dimensiunea compactă a cipului MOSFET-urilor SiC produce o capacitate și o sarcină de poartă reduse. În combinație cu rezistența lor redusă la pornire, capacitatea și sarcina de poartă mai mici contribuie la creșterea eficienței sistemului, permit frecvențe de comutare mai rapide, cresc densitatea de putere, reduc interferențele electromagnetice (EMI) și permit soluții cu factori de formă mai mici. De exemplu, NTBG040N120SC1 are o tensiune nominală de 1200 de volți și 60 A și este livrat într-un pachet D2PAK-7L pentru montare pe suprafață (Figura 4). Caracteristicile includ:

• Încărcare tipică a porții de 106 nanocoulombi (nC)
• Capacitate de ieșire tipică de 139 picofarazi (pF)
• Testare 100% în condiții de avalanșă
• Funcționare la temperatura de joncțiune de 175 °C
• Calificare AEC-Q101

Figura 4: MOSFET-ul SiC NTBG040N120SC1 este evaluat pentru 1200 volți/60 A, are o rezistență la pornire de 40 mΩ și este livrat într-o capsulă cu montare pe suprafață D2PAK-7L. (Sursa imaginii: onsemi)

Driver de poartă MOSFET SiC

Driverele de poartă pentru MOSFET-urile SiC, cum ar fi linia onsemi NCx51705, oferă o tensiune de comandă mai mare decât driverele pentru MOSFET-urile Si. Este nevoie de o tensiune de poartă de 18-20 volți pentru a porni complet un MOSFET SiC, în comparație cu mai puțin de cei 10 volți necesari pentru a porni un MOSFET Si. În plus, MOSFET-urile SiC au nevoie de -3 până la -5 volți de comandă a porții atunci când dispozitivul este oprit. Proiectanții pot utiliza driverul low-side de mare viteză NCP51705MNTXG de 6 A, optimizat pentru MOSFET-uri SiC (Figura 5). NCP51705MNTXG oferă tensiunea de comandă nominală maximă pentru a permite pierderi scăzute la conducție și asigură curenți de vârf mari în timpul pornirii și opririi, pentru a minimiza pierderile la comutare.

Figura 5: schemă simplificată care prezintă două circuite integrate de comandă NCP51705MNTXG (centru dreapta) care acționează două MOSFET-uri SiC (dreapta) într-o topologie cu jumătate de punte. (Sursa imaginii: onsemi)

Proiectanții pot utiliza pompa de încărcare integrată pentru a genera o șină de tensiune negativă care poate fi selectată de către utilizator, pentru a oferi o fiabilitate mai mare, o imunitate dv/dt îmbunătățită și o oprire mai rapidă. În proiectele izolate, o șină de 5 volți accesibilă din exterior poate alimenta partea secundară a optoizolatoarelor digitale sau de mare viteză. Funcțiile de protecție din NCP51705MNTXG includ oprirea termică bazată pe temperatura de joncțiune a circuitului de comandă și monitorizarea blocării în condiții de subtensiune a puterii de polarizare.

Considerente privind placa de evaluare și comanda porții SiC

Pentru a accelera procesul de evaluare și proiectare, proiectanții pot utiliza placa de evaluare (EVB) NCP51705SMDGEVB pentru NCP51705 (Figura 6). EVB include un driver NCP51705 și toate circuitele de acționare necesare, inclusiv un izolator digital integrat și capacitatea de a lipi orice MOSFET SiC sau Si la un pachet TO-247. EVB este proiectat pentru a fi utilizat în orice aplicație de comutație de putere de tip low-side sau high-side. Două sau mai multe dintre aceste EVB-uri pot fi configurate într-o unitate cu pol de ieșire în contratimp.

Figura 6: NCP51705SMDGEVB EVB are orificii (stânga sus) pentru conectarea unui MOSFET de putere SiC sau Si și include driverul NCP51705 (U1, centru stânga) și circuitul integrat de izolare digitală (centru dreapta). (Sursa imaginii: onsemi)

Minimizarea inductanței și capacității parazite a plăcii de circuite imprimate este importantă atunci când se utilizează driverul de poartă NCP51705 cu un MOSFET SiC (Figura 7). Unele considerente privind dispunerea plăcii de circuite imprimate includ:

• NCP51705 ar trebui să fie cât mai aproape posibil de MOSFET-ul SiC, acordând o atenție deosebită traseelor scurte între VDD, SVDD, V5V, pompa de încărcare și condensatorul VEE și MOSFET.
• Traseul dintre VEE și PGND trebuie să fie cât mai scurt posibil.
• Trebuie să existe o separare între traseele cu dV/dt ridicat și intrarea driverului și DESAT pentru a evita funcționarea anormală care poate rezulta din cuplarea zgomotului.
• Pentru modelele de înaltă temperatură, trebuie să se folosească trasee termice între plăcuța expusă și stratul exterior, pentru a minimiza impedanța termică.
• Trebuie utilizate trasee largi pentru OUTSRC, OUTSNK și VEE.

Figura 7: dispunerea recomandată a plăcii de circuite imprimate pentru NCP51705 pentru minimizarea inductanței și capacității parazite pentru comanda MOSFET-urilor SiC. (Sursa imaginii: onsemi)

Concluzie

SiC joacă un rol important în a-i ajuta pe proiectanți să îndeplinească cerințele unui număr tot mai mare și mai variat de aplicații pentru infrastructura energetică. Proiectanții pot utiliza acum dispozitive SiC pentru a crea proiecte de conversie a puterii de înaltă tensiune, de mare viteză și de curent ridicat mai eficiente, care rezultă în soluții de dimensiuni mai mici și densități de putere mai mari. Cu toate acestea, selectarea stilului optim de încapsulare este importantă pentru a obține beneficii maxime din proiectarea cu SiC.

După cum s-a arătat, există o serie de compromisuri în materie de performanță, timpul de introducere pe piață și costuri care trebuie luate în considerare atunci când se alege între dispozitive discrete, IPM-uri și PIM-uri. De asemenea, atunci când se utilizează dispozitive discrete sau PIM-uri, selecția driverului de poartă SiC și dispunerea optimă a plăcii de circuite imprimate sunt esențiale pentru a obține performanțe fiabile și eficiente ale sistemului.

Lectură recomandată

1. Cum se proiectează MOSFET-urile SiC pentru a îmbunătăți eficiența invertoarelor de tracțiune pentru vehicule electrice
2. Cum puteți obține implementări SSEB modulare sigure și eficiente folosind conectori fișabili pentru poli de baterie