Klik hier voor de Engelse versie van de broncode.

Hoe SiC MOSFET's ontwerpen om de efficiëntie van EV-tractieomvormers te verbeteren

Door Steven Keeping

Bijgedragen door De Noord-Amerikaanse redacteurs van Digi-Key

Ingenieurs worden geconfronteerd met een afweging tussen de prestaties en de actieradius van moderne elektrische voertuigen (EV's). Sneller optrekken en hogere kruissnelheden vereisen frequentere en tijdrovende oplaadstops. Anderzijds gaat een grotere actieradius ten koste van een meer kalme vooruitgang. Om de actieradius te vergroten en tegelijk de prestaties van de bestuurder te verbeteren, moeten ingenieurs aandrijflijnen ontwerpen die ervoor zorgen dat zoveel mogelijk energie uit de batterij wordt overgebracht op de aangedreven wielen. Even belangrijk is de noodzaak om de aandrijving klein genoeg te houden om binnen de beperkingen van het voertuig te passen. Deze dubbele eis vereist zowel componenten met een hoog rendement als met een hoge energiedichtheid.

Het belangrijkste onderdeel van een EV-aandrijving is de driefasige spanningsbronomvormer (of "tractieomvormer") die de gelijkspanning van de batterijen omzet in de wisselstroom die nodig is voor de elektromotor(en) van het voertuig. Het bouwen van een efficiënte tractieomvormer is van cruciaal belang om de wisselwerking tussen prestaties en bereik te verminderen, en een van de belangrijkste manieren om de efficiëntie te verbeteren is het juiste gebruik van siliciumcarbidehalfgeleiders met brede bandgap (WBG).

Dit artikel beschrijft de rol van de EV-tractieomvormer. Vervolgens wordt uitgelegd hoe het ontwerp van de eenheid met SiC power metaaloxidehalfgeleider-veldeffecttransistoren (MOSFET's) een efficiëntere EV-aandrijving kan opleveren dan een aandrijving met geïsoleerde-gate bipolaire transistoren (IGBT's). Het artikel besluit met een voorbeeld van een op SiC MOSFET gebaseerde tractieomvormer, en ontwerptips over hoe de efficiëntie van de eenheid kan worden gemaximaliseerd.

Wat is een tractieomvormer?

De tractieomvormer van een EV zet de gelijkstroom die door de hoogspanningsbatterijen (HV) van het voertuig wordt geleverd, om in wisselstroom die de elektrische motor nodig heeft om het koppel te produceren dat nodig is om het voertuig voort te bewegen. De elektrische prestaties van de tractieomvormer zijn van grote invloed op de acceleratie en de actieradius van het voertuig.

Hedendaagse tractieomvormers worden aangedreven door HV-batterijsystemen van 400 volt, of meer recentelijk, 800 volt ontwerpen. Met tractieomvormerstromen van 300 ampère (A) of meer kan een toestel dat gevoed wordt door een batterijsysteem van 800 volt meer dan 200 kilowatt (kW) aan vermogen leveren. Naarmate het vermogen toenam, werd de omvang van de omvormers kleiner, waardoor de vermogensdichtheid aanzienlijk toenam.

EV's met 400-volt batterijsystemen vereisen tractie-omvormers met vermogenshalfgeleiders van 600 tot 750 volt, terwijl 800-volt voertuigen halfgeleiders vereisen van 900 tot 1200 volt. De in de tractieomvormers gebruikte vermogenscomponenten moeten ook piekwisselstroomstromen van meer dan 500 A gedurende 30 seconden (s) en een maximumwisselstroom van 1600 A gedurende 1 milliseconde (ms) aankunnen. Bovendien moeten de schakeltransistoren en gate-drivers die voor de inrichting worden gebruikt, in staat zijn deze grote belastingen te verwerken met behoud van een hoog rendement van de tractieomvormer (tabel 1).

Tabel van typische 2021 tractieomvormervereistenTabel 1: Typische vereisten voor 2021 tractieomvormers; de energiedichtheid is met 250% gestegen ten opzichte van 2009. (Bron foto: Steven Keeping)

Een tractieomvormer bestaat gewoonlijk uit drie halfbrugelementen (high-side plus low-side schakelaars), één voor elke motorfase, met gate drivers die de low-side schakeling van elke transistor regelen. Het geheel moet galvanisch worden geïsoleerd van de laagspanningscircuits (LV) die de rest van de systemen van het voertuig voeden (Afbeelding 1).

Schema van EV vereist een driefasige spanningsbronomvormer (klik om te vergroten)Afbeelding 1: Een EV heeft een driefasige spanningsbronomvormer (tractieomvormer) nodig om hoogspanningsgelijkstroom (HV) van de batterij om te zetten in wisselstroom die nodig is voor de elektromotor(en) van het voertuig. Het HV-systeem, met inbegrip van de tractieomvormer, is geïsoleerd van het conventionele 12-voltsysteem van het voertuig. (Bron afbeelding: ON Semiconductor)

De schakelaars in het voorbeeld van Afbeelding 1 zijn IGBT's. Deze zijn een populaire keuze voor een tractieomvormer omdat zij hoge spanningen aankunnen, snel schakelen, een goede efficiëntie bieden en relatief goedkoop zijn. Naarmate de kosten van SiC power MOSFET's echter zijn gedaald en zij steeds meer in de handel verkrijgbaar zijn, wenden technici zich tot deze componenten vanwege de opmerkelijke voordelen ervan ten opzichte van IGBT's.

Voordeel van SiC MOSFET's voor gate drivers met hoog rendement

De belangrijkste prestatievoordelen van SiC power MOSFET's ten opzichte van conventionele MOSFET's en IGBT's van silicium (Si) vloeien voort uit het WBG-halfgeleidersubstraat van de apparaten. MOSFET's van Si hebben een bandgap-energie van 1,12 elektronvolt (eV) vergeleken met de 3,26 eV van SiC MOSFET's. Dat betekent dat de WBG-transistor bestand is tegen veel hogere doorslagspanningen dan Si apparaten, en ook tegen een resulterende doorslagveldspanning die ongeveer tien keer groter is dan bij Si. De hoge doorslagspanning maakt het mogelijk de dikte van het apparaat voor een bepaalde spanning te verminderen, waardoor de "aan"-weerstand (RDS(ON)) wordt verlaagd en dus de schakelverliezen worden verminderd en het stroomvoerend vermogen wordt vergroot.

Een ander belangrijk voordeel van SiC is zijn warmtegeleidingsvermogen, dat ongeveer driemaal hoger is dan dat van Si. Een hogere thermische geleidbaarheid leidt tot een kleinere stijging van de junctietemperatuur (Tj) bij een gegeven vermogensdissipatie. MOSFET's van SiC kunnen ook een hogere maximale junctietemperatuur (Tj(max)) verdragen dan Si. Een typische Tj(max) -waarde voor een Si MOSFET is 150 ˚C; SiC-apparaten zijn bestand tegen een Tj(max) van maximaal 600 ˚C, hoewel in de handel verkrijgbare apparaten gewoonlijk op 175 tot 200 ˚C worden beoordeeld. Tabel 2 bevat een vergelijking van de eigenschappen van Si en 4H-SiC (de kristallijne vorm van SiC die gewoonlijk voor de vervaardiging van MOSFET's wordt gebruikt).

Tabel van het doorslagveld, de thermische geleidbaarheid en de maximale junctietemperatuur van SiC MOSFET'sTabel 2: Het doorslagveld, de thermische geleidbaarheid en de maximale junctietemperatuur van een SiC MOSFET maken deze tot een betere keuze dan Si voor schakeltoepassingen met hoge stromen en hoge spanningen. (Afbeelding: ON Semiconductor)

Dankzij de hoge doorslagspanning, lage RDS(ON), hoge thermische geleidbaarheid en hoge Tj(max) kan een SiC MOSFET veel hogere stromen en spanningen verwerken dan een MOSFET van vergelijkbare grootte van Si.

IGBT's kunnen ook hoge spanningen en stromen aan en zijn doorgaans minder duur dan SiC MOSFET's - een belangrijke reden waarom zij in trekomvormerontwerpen in de gunst komen. Het nadeel van IGBT's, vooral wanneer de ontwikkelaar op zoek is naar maximale energiedichtheid, is een beperking van de maximale werkfrequentie als gevolg van hun "staartstroom" en relatief langzame uitschakeling. Daarentegen kan een SiC MOSFET hoogfrequent schakelen zoals een Si MOSFET, maar met het spannings- en stroomverwerkingsvermogen van een IGBT.

Bredere beschikbaarheid van SiC MOSFET's

Tot voor kort was het gebruik van SiC MOSFET's vanwege de relatief hoge prijs beperkt tot tractie-omvormers voor luxe EV's, maar door de dalende prijzen zijn SiC MOSFET's een optie geworden voor een breder gamma.

Twee voorbeelden van deze nieuwe generatie SiC power MOSFETS zijn afkomstig van ON Semiconductor: de NTBG020N090SC1 en de NTBG020N120SC1. Het belangrijkste verschil tussen de apparaten is dat de eerste een maximale drain-to-source doorslagspanning (V(BR)DSS) van 900 volt heeft, met een gate-to-source spanning (VGS) van 0 volt en een continue drainstroom (ID) van 1 milliamp (mA), terwijl de tweede een maximale V(BR)DSS van 1200 volt heeft (onder dezelfde omstandigheden). De maximale Tj voor beide toestellen is 175 ˚C. Beide apparaten zijn enkelvoudige N-kanaals MOSFET's in een D2PAK-7L pakket (Afbeelding 2).

Schema van ON Semiconductor NTBG020N090SC1 en NTBG020N120SC1 N-kanaal SiC power MOSFET'sAfbeelding 2: De NTBG020N090SC1 en NTBG020N120SC1 N-kanaal SiC power MOSFET's zitten beide in een D2PAK-7L pakket en verschillen vooral in hun V(BR)DSS waarden van respectievelijk 900 en 1200 volt. (Bron afbeelding: Steven Keeping, met materiaal van ON Semiconductor)

De NTBG020N090SC1 heeft een RDS(ON) van 20 milliohms (mΩ) bij een VGS van 15 volt (ID = 60 A, Tj = 25 ˚C), en een RDS(ON) van 16 mΩ bij een VGS van 18 volt (ID = 60 A, Tj = 25 ˚C). De maximale continue drain-source diode voorwaartse stroom (ISD) bedraagt 148 A (VGS = -5 volt, Tj = 25 ˚C), en de maximale gepulseerde drain-source diode voorwaartse stroom (ISDM) bedraagt 448 A (VGS = -5 volt, Tj = 25 ˚C). De NTBG020N120SC1 heeft een RDS(ON) van 28 mΩ bij een VGS van 20 volt (ID = 60 A, Tj = 25 ˚C). De maximale ISD bedraagt 46 A (VGS = -5 volt, Tj = 25 ˚C), en de maximale ISDM bedraagt 392 A (VGS = -5 volt, Tj = 25 ˚C).

Ontwerpen met SiC MOSFET's

Ondanks hun voordelen moeten ontwerpers die SiC MOSFET's in hun tractieomvormerontwerpen willen inbouwen, zich bewust zijn van een belangrijke complicatie: de transistors hebben lastige vereisten wat betreft gate drive. Sommige van deze uitdagingen vloeien voort uit het feit dat in vergelijking met Si MOSFET's, SiC MOSFET's een lagere transconductantie vertonen, een hogere interne poortweerstand, en de inschakeldrempel van de poort minder dan 2 volt kan bedragen. Als gevolg hiervan moet de gate onder de grond worden getrokken (gewoonlijk tot -5 volt) tijdens de off-state om een goede schakeling te verzekeren.

De belangrijkste uitdaging op het gebied van poortaandrijving komt echter voort uit het feit dat een grote VGS (tot 20 volt) moet worden toegepast om een lage RDS(ON) te garanderen. Het gebruik van een SiC MOSFET bij een te lage VGS kan leiden tot thermische spanningen of zelfs defecten ten gevolge van vermogensdissipatie (Afbeelding 3).

Grafiek van ON Semiconductor NTBG020N090SC1 SiC MOSFETAfbeelding 3: Voor de NTBG020N090SC1 SiC MOSFET is een hoge VGS vereist om thermische spanning door een hoge RDS(ON) te vermijden. (Bron afbeelding: ON Semiconductor)

Omdat een SiC MOSFET een apparaat met lage versterking is, moet de ontwerper bovendien rekening houden met de invloed hiervan op verschillende andere belangrijke dynamische kenmerken bij het ontwerpen van een gate drive circuit. Deze kenmerken omvatten het plateau van de poortlading Miller en de eis voor overstroombeveiliging.

Deze ontwerpcomplicaties vereisen een gespecialiseerde poortdriver met de volgende attributen:

  • De mogelijkheid om een VGS-sturing van -5 tot 20 volt te leveren om de prestatievoordelen van de SiC MOSFET ten volle te benutten. Om aan deze eis te kunnen voldoen, moet het gate drive circuit bestand zijn tegen VDD = 25 volt en VEE = -10 volt.
  • VGS moet snelle stijg- en daalranden hebben, van de orde van enkele nanoseconden (ns).
  • De gate-aandrijving moet hoge piek gate-stroom in de orde van grootte van enkele ampères kunnen leveren, over het gehele MOSFET Miller plateau-gebied.
  • De zinkstroom moet groter zijn dan de stroom die nodig is om alleen de ingangscapaciteit van de SiC MOSFET te ontladen. Een minimale piek zinkstroom in de orde van 10 A moet worden overwogen voor krachtige, halfbrug voedingstopologieën.
  • Lage parasitaire inductie voor snel schakelen.
  • Klein driverpakket dat zo dicht mogelijk bij de SiC MOSFET kan worden geplaatst en de energiedichtheid verhoogt.
  • Een desaturatiefunctie (DESAT) die in staat is tot detectie, foutmelding en bescherming voor een betrouwbare werking op lange termijn.
  • Een VDD-undervoltagelockoutniveau (UVLO) dat is afgestemd op de eis dat VGS > 16 volt voordat het schakelen begint.
  • VEE UVLO-bewakingsmogelijkheid om te verzekeren dat de negatieve spanningsrail binnen een aanvaardbaar bereik ligt.

ON Semiconductor heeft een poortdriver geïntroduceerd die is ontworpen om aan deze eisen in tractie-inverterontwerpen te voldoen. De NCP51705MNTXG SiC MOSFET-gatedriver heeft een hoog integratieniveau, waardoor hij niet alleen compatibel is met hun SiC MOSFET's, maar ook met die van een groot aantal andere fabrikanten. Het apparaat bevat veel basisfuncties die gangbaar zijn voor gate drivers voor algemeen gebruik, maar voldoet ook aan de gespecialiseerde eisen die nodig zijn voor het ontwerpen van een betrouwbare SiC MOSFET gate drive-schakeling met gebruikmaking van een minimum aan externe componenten.

De NCP51705MNTXG bevat bijvoorbeeld een DESAT-functie die kan worden geïmplementeerd met slechts twee externe componenten. DESAT is een vorm van overstroombeveiliging voor IGBT's en MOSFET's om een fout te bewaken waarbij VDS kan stijgen bij maximale ID. Dit kan het rendement beïnvloeden en, in het ergste geval, de MOSFET beschadigen. Afbeelding 4 toont hoe de NCP51750MNTXG VDS van de MOSFET (Q1) bewaakt via de DESAT pen door R1 en D1.

Schema van ON Semiconductor NCP51705MNTXG's DESAT-functieAfbeelding 4: De DESAT-functie van de NCP51705MNTXG meet VDS op afwijkend gedrag tijdens perioden van maximale ID en implementeert overstroombeveiliging. (Bron afbeelding: ON Semiconductor)

De NCP51705MNTXG-gatedriver beschikt ook over programmeerbare UVLO. Dit is een belangrijke eigenschap bij het aansturen van SiC MOSFET's, omdat de uitgang van de schakelcomponent moet worden uitgeschakeld totdat VDD boven een bekende drempelwaarde komt. Als de driver de MOSFET bij lage VDD schakelt, kan het apparaat beschadigd raken. De programmeerbare UVLO van de NCP51705MNTXG beschermt niet alleen de belasting, maar verifieert ook aan de controller dat de toegepaste VDD boven de inschakeldrempel ligt. De inschakeldrempel van UVLO wordt ingesteld met een enkele weerstand tussen UVSET en SGND (Afbeelding 5).

Diagram van de UVLO-inschakeldrempel voor de ON Semiconductor NCP51705MNTXG SiC MOSFETAfbeelding 5: De UVLO inschakeldrempel voor de NCP51705MNTXG SiC MOSFET wordt ingesteld door de UVSET weerstand,RUVSET, die wordt gekozen op basis van een gewenste UVLO inschakelspanning, VON. (Bron afbeelding: ON Semiconductor)

Digitale isolatie voor tractieomvormers

Om een ontwerp van een tractieomvormer te voltooien, moet de ingenieur ervoor zorgen dat de LV-zijde van de elektronica van het voertuig geïsoleerd is van de hoge spanningen en stromen die door de omvormer gaan (Afbeelding 2 hierboven). Omdat de microprocessor die de HV-gatedrivers controleert zich aan de LV-zijde bevindt, moet isolatie de doorgang van digitale signalen van de microprocessor naar de gatedrivers mogelijk maken. ON Semiconductor biedt ook een component voor deze functie, de NCID9211R2, een hoge-snelheid, tweekanaals, bidirectionele keramische digitale isolator.

De NCID9211R2 is een galvanisch geïsoleerde, full-duplex digitale isolator die digitale signalen tussen systemen laat passeren zonder het geleiden van aardlussen of gevaarlijke spanningen. Het apparaat heeft een maximale werkisolatie van 2000 voltpiek, 100 kilovolt/milliseconde (kV/ms) common-mode-onderdrukking en een datadoorvoer van 50 megabit per seconde (Mbit/s).

Keramische condensators buiten de chip vormen de isolatiebarrière, zoals afgebeeld in Afbeelding 6.

Blokschema van één kanaal van de ON Semiconductor NCID9211R2 digitale isolatorAfbeelding 6: Blokschema van één kanaal van de digitale isolator NCID9211R2. Condensators buiten de chip vormen de isolatiebarrière. (Bron afbeelding: ON Semiconductor)

De digitale signalen worden door de isolatiebarrière gestuurd met een ON-OFF keying (OOK) modulatie. Aan de zenderzijde wordt de logische toestand van de VIN-ingang gemoduleerd met een hoogfrequent draaggolfsignaal. Het resulterende signaal wordt versterkt en doorgegeven aan de isolatiebarrière. De ontvanger detecteert het barrièresignaal en demoduleert het met behulp van een omhullingsdetectietechniek (Afbeelding 7). Het uitgangssignaal bepaalt de logische toestand van de VO-uitgang wanneer de uitgangsvrijgavebesturing EN hoog is. VO staat standaard op een laag niveau met hoge impedantie wanneer de voeding van de zender is uitgeschakeld, of wanneer de VIN-ingang is losgekoppeld.

Schema van ON Semiconductor NCID9211 digitale isolator gebruikt OOK-modulatieAfbeelding 7: De digitale isolator NCID9211 gebruikt OOK-modulatie om digitale informatie over de scheidingsmuur te sturen. (Bron afbeelding: ON Semiconductor)

Conclusie

SiC power MOSFET's zijn een goede optie voor tractieomvormers met hoog rendement en hoge vermogensdichtheid voor EV's, maar hun elektrische eigenschappen brengen unieke ontwerpuitdagingen met zich mee met betrekking tot gatedrivers en toestelbescherming. De ontwerpuitdagingen worden nog groter doordat de ingenieurs er ook voor moeten zorgen dat hun ontwerp van de tractieomvormer een hoog niveau van isolatie biedt ten opzichte van de gevoelige LV-elektronica van het voertuig.

Om de technische ontwikkeling te vergemakkelijken, biedt ON Semiconductor een reeks SiC MOSFET's, gespecialiseerde gatedrivers en digitale isolators om te voldoen aan de eisen van tractieomvormers en een beter evenwicht te vinden tussen lange afstanden en hoge prestaties voor moderne EV's.

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.

Achtergrondinformatie over deze auteur

Steven Keeping

Steven Keeping is a contributing author at Digi-Key Electronics. He obtained an HNC in Applied Physics from Bournemouth University, U.K., and a BEng (Hons.) from Brighton University, U.K., before embarking on a seven-year career as an electronics manufacturing engineer with Eurotherm and BOC. For the last two decades, Steven has worked as a technology journalist, editor and publisher. He moved to Sydney in 2001 so he could road- and mountain-bike all year round, and work as editor of Australian Electronics Engineering. Steven became a freelance journalist in 2006 and his specialities include RF, LEDs and power management.

Over deze uitgever

De Noord-Amerikaanse redacteurs van Digi-Key