Hoe energie-infrastructuur efficiënter en betrouwbaarder kan worden gemaakt tegen lagere kosten

Ontwerpers van energie-infrastructuur – van laadstations voor elektrische voertuigen (EV) en zonne-omvormers tot energieopslag en onderbrekingsvrije voedingen – worden voortdurend aangespoord om de CO2-voetafdruk te verkleinen, betrouwbaarheid te verbeteren en kosten te verlagen.

Om deze doelstellingen te bereiken, moeten zij goed nagaan hoe ze hun oplossingen voor vermogensomzetting kunnen optimaliseren voor minimale geleidings- en schakelverliezen, goede thermische prestaties, kleine totale vormfactor en lage elektromagnetische interferentie (EMI). Ook moeten ze zorgen dat de gekozen oplossing voldoet aan het goedkeuringsproces voor productieonderdelen (PPAP) en gekwalificeerd is volgens AEC-Q101.

Om deze uitdagingen aan te gaan, kunnen ontwerpers een beroep doen op een verscheidenheid aan vermogens-MOSFET’s en Schottky-diodes, gatedriver-IC’s en voedingsmodules met siliciumcarbide (SiC).

In dit artikel wordt kort besproken hoe SiC-technologie de efficiëntie en betrouwbaarheid kan verhogen en de kosten kan verlagen, vergeleken met het klassieke silicium (Si). Vervolgens worden de opties voor verpakking en systeemintegratie voor SiC bekeken, waarna aan de hand van verschillende praktijkvoorbeelden van onsemi wordt getoond hoe ontwerpers deze het best kunnen toepassen om de prestaties van SiC vermogens-MOSFET’s en gatedrivers te optimaliseren en de uitdaging van de energie-infrastructuur aan te gaan.

SiC vergeleken met Si

SiC is een WBG-materiaal (wide band gap) met een bandkloof van 3,26 elektronvolt (eV) vergeleken met een Si-bandkloof van 1,12 eV. Bovendien biedt SiC 10x het doorslagvermogen, meer dan 3x de thermische geleidbaarheid en is SiC geschikt voor veel hogere temperaturen dan Si. Deze specificaties maken SiC zeer geschikt voor gebruik in energie-infrastructuurtoepassingen (Tabel 1).

Tabel 1: De materiaaleigenschappen van 4H-SiC vergeleken met Si maken SiC zeer geschikt voor gebruik in energie-infrastructuurtoepassingen. (Bron afbeelding: onsemi)

Dankzij het hogere doorslagveld hebben dunnere SiC-componenten dezelfde nominale spanning als dikkere Si-componenten. Bovendien hebben dunnere SiC-componenten een dienovereenkomstig lagere ON-weerstand en een hogere stroomcapaciteit. De mobiliteitsparameter van SiC ligt in dezelfde orde van grootte als die van Si, waardoor beide materialen bruikbaar zijn voor hoogfrequente vermogensomzetting en dus compacte vormfactoren mogelijk maakt. Dankzij een hogere thermische geleidbaarheid ervaren SiC-componenten een lagere temperatuurstijging bij hogere stroomniveaus. De bedrijfstemperatuur van SiC-componenten wordt beperkt door verpakkingsfactoren zoals de draadverbindingen, niet door de eigenschappen van het SiC-materiaal. Daarom is de keuze van de optimale verpakkingsvorm bij het gebruik van SiC een belangrijke overweging voor ontwerpers.

Dankzij de materiaaleigenschappen van SiC is dit materiaal een superieure keuze voor vele ontwerpen voor vermogensomzetting bij hoge spanning, hoge snelheid, hoge stroom en hoge dichtheid. In veel gevallen is de vraag niet of SiC moet worden gebruikt, maar welke SiC-verpakkingstechnologie de beste verhouding biedt tussen prestaties en kosten.

Ontwerpers hebben de keuze uit drie basisverpakkingen bij het gebruik van SiC-elektriciteitstechnologie: discrete componenten, intelligente voedingsmodules (IPM’s) of power integrated modules (PIM’s), elk met een unieke combinatie van kosten en prestaties (Tabel 2). Bijvoorbeeld:

• Doorgaans wordt de voorkeur gegeven aan discrete componenten wanneer de kosten een primaire overweging zijn, zoals bij consumententoepassingen. Ze ondersteunen ook dual sourcing en hebben een lange levensduur.
• IPM-oplossingen verkorten de ontwerptijd, hebben de hoogste betrouwbaarheid en zijn de meest compacte oplossingen voor middenvermogensniveaus.
• Vergeleken met IPM’s ondersteunen PIM’s ontwerpen voor een hoger vermogen, een goede vermogensdichtheid, een redelijk snelle time-to-market, een grote verscheidenheid aan ontwerpopties en meer mogelijkheden voor dual sourcing.

Tabel 2: Vergelijking van integratiekenmerken en afwegingen bij de keuze tussen discrete, IPM en PIM SiC-verpakkingsoplossingen. (Bron afbeelding: onsemi)

Hybride Si/SiC IPM’s

Hoewel het mogelijk is om oplossingen te ontwikkelen met uitsluitend SiC-componenten, is het soms voordeliger om hybride Si/SiC-ontwerpen te gebruiken. De NFL25065L4BT hybride IPM van onsemi combineert bijvoorbeeld vierdegeneratie Si IGBT’s met een SiC boost-diode aan de uitgang en vormt zo een interleaved PFC (power factor correction) ingangstrap voor industriële, medische en consumententoepassingen (Afbeelding 1). Deze compacte IPM omvat een geoptimaliseerde gatesturing voor de IGBT's om EMI en verliezen tot een minimum te beperken. De geïntegreerde beveiligingsfuncties omvatten onderspanningsblokkering, overstroomuitschakeling, thermische bewaking en storingsmelding. Andere kenmerken van de NFL25065L4BT zijn:

• 600 volt/50 ampère (A) tweefasige interleaved PFC
• Geoptimaliseerd voor een schakelfrequentie van 20 kilohertz (kHz)
• Lage thermische weerstand door gebruikmaking van een aluminiumoxide DBC-substraat (direct bond copper)
• Geïntegreerde NTC-thermistor (negatieve temperatuurcoëfficiënt) voor temperatuurbewaking
• Isolatiewaarde van 2500 volt rms/1 minuut
• UL-certificatie

Afbeelding 1: De NFL25065L4BT IPM vormt een interleaved PFC-trap met vierdegeneratie Si IGBT’s en een SiC boost-diode aan de uitgang. (Bron afbeelding: onsemi)

SiC PIM’s

Voor zonne-omvormers, EV-laadstations en soortgelijke toepassingen die baat hebben bij het gebruik van een op SiC gebaseerde PIM voor maximale vermogensafgifte bij een kleinere voetafdruk en een kleiner totaalvolume, kunnen ontwerpers zich wenden tot de NXH006P120MNF2PTG. Dit component bestaat uit een 6 milliohm (mΩ), 1200 volt, SiC MOSFET halfbrug en een geïntegreerde NTC-thermistor in een F2-verpakking (Afbeelding 2). Pakketopties omvatten:

• Met of zonder vooraf aangebracht thermisch interfacemateriaal (TIM)
• Soldeerbare pennen of press-fit-pennen

Afbeelding 2: De NXH006P120MNF2PTG geïntegreerde voedingsmodule wordt geleverd in een F2-pakket met press-fit-pennen. (Bron afbeelding: onsemi)

Deze IPM’s hebben een maximale overgangstemperatuur in bedrijf van 175 graden Celsius (°C) en vereisen externe sturing en gatedrivers. De optionele press-fit-technologie, ook wel koudlassen genoemd, zorgt voor een betrouwbare verbinding tussen de pennen en de doorvoergaten op de printplaat. Press-fit vereenvoudigt de montage zonder solderen en zorgt voor een gasdichte, metaal-op-metaalverbinding met lage weerstand.

SiC Schottky-diodes

SiC Schottky-diodes kunnen worden gebruikt in combinatie met IPM’s of in 100% discrete ontwerpen en leveren betere schakelprestaties en een hogere betrouwbaarheid vergeleken met Si dioden. SiC Schottky-diodes, zoals de 1700 volt/25 A NDSH25170A, bieden uitstekende thermische prestaties en temperatuurafhankelijke schakelkarakteristieken en hebben geen omgekeerde herstelstroom. Dit leidt tot hogere efficiëntie, snellere schakelfrequenties, hogere vermogensdichtheid, lagere EMI en gemakkelijke parallellisatie, wat allemaal bijdraagt tot een kleinere afmeting en lagere kosten (Afbeelding 3). Andere kenmerken van de NDSH25170A zijn:

• Maximale overgangstemperatuur van 175 °C
• Lawineclassificatie van 506 millijoule (mJ)
• Niet-repetitieve piekstroom tot 220 A en repetitieve piekstroom tot 66 A
• Positieve temperatuurcoëfficiënt
• Geen omgekeerde herstelstroom en geen voorwaartse herstelstroom
• AEC-Q101-kwalificatie en PPAP-geschiktheid

Afbeelding 3: De 1700 volt/25 A NDSH25170A SiC Schottky-diode biedt uitstekende thermische prestaties en temperatuurafhankelijke schakelkarakteristieken en heeft geen omgekeerde herstelstroom. (Bron afbeelding: onsemi)

Discrete SiC MOSFET’s

Ontwerpers kunnen discrete SiC Schottkys combineren met 1200 V SiC MOSFET’s van onsemi, die ook superieure schakelprestaties, een lagere ON-weerstand en een hogere betrouwbaarheid hebben dan Si componenten. De compacte chipgrootte van SiC MOSFET’s zorgt voor een lage capaciteit en gatecharge. Samen met een lage ON-weerstand dragen de lagere capaciteit en gatecharge bij tot een hogere systeemefficiëntie, snellere schakelfrequenties, hogere vermogensdichtheid, minder elektromagnetische interferentie (EMI) en kleinere oplossingsformaten. Een voorbeeld is de NTBG040N120SC1 die geschikt is voor 1200 Volt en 60 A en verkrijgbaar is als een D2PAK-7L-opbouwverpakking (Afbeelding 4). Kenmerken zijn onder andere:

• Typische poortlading van 106 nanocoulomb (nC)
• Typische uitgangscapaciteit van 139 picofarad (pF)
• 100% lawine getest
• Werkt bij een overgangstemperatuur van 175 °C
• AEC-Q101-kwalificatie

Afbeelding 4: De NTBG040N120SC1 SiC MOSFET is geschikt voor 1200 volt/60 A, heeft een ON-weerstand van 40 mΩ en wordt geleverd in een D2PAK-7L opbouwverpakking. (Bron afbeelding: onsemi)

SiC MOSFET gate-drivers

Gatedrivers voor SiC MOSFET’s, zoals de NCx51705-lijn van onsemi, leveren een hogere stuurspanning dan drivers voor Si MOSFET’s. Er is een poortspanning van 18 tot 20 volt nodig om een SiC MOSFET volledig in te schakelen, vergeleken met minder dan 10 volt om een Si MOSFET in te schakelen. Bovendien vereisen SiC MOSFET’s een gatesturing van -3 tot -5 volt wanneer het component wordt uitgeschakeld. Ontwerpers kunnen gebruikmaken van de NCP51705MNTXG low-side, single 6 A high-speed driver die geoptimaliseerd is voor SiC MOSFET’s (Afbeelding 5). De NCP51705MNTXG levert de maximale nominale stuurspanning om lage geleidingsverliezen mogelijk te maken en levert hoge piekstromen tijdens het in- en uitschakelen voor minimale schakelverliezen.

Afbeelding 5: Vereenvoudigd schema met twee NCP51705MNTXG driver-IC’s (rechts midden) die twee SiC MOSFET’s (rechts) in een halfbrug-topologie aansturen. (Bron afbeelding: onsemi)

Ontwerpers kunnen de geïntegreerde laadpomp gebruiken om een door de gebruiker te selecteren negatieve spanningsrail te genereren voor een hogere betrouwbaarheid, verbeterde dV/dt-immuniteit en snellere uitschakeling. In geïsoleerde ontwerpen kan een extern toegankelijke 5 volt rail gebruikt worden als voeding voor de secundaire zijde van digitale of hogesnelheids-optoisolators. Beveiligingsfuncties in de NCP51705MNTXG zijn onder meer thermische uitschakeling op basis van de overgangstemperatuur van het drivercircuit en onderspanningsvergrendeling van de biasvoeding.

Overwegingen voor evaluatieboards en SiC-gatesturing

Om het evaluatie- en ontwerpproces te versnellen, kunnen ontwerpers gebruikmaken van het NCP51705SMDGEVB evaluatieboard (EVB) voor de NCP51705 (Afbeelding 6). Het EVB omvat een NCP51705-driver en alle benodigde stuurschakelingen, met inbegrip van een ingebouwde digitale isolator en de mogelijkheid om een SiC of Si MOSFET in een TO-247-pakket te solderen. Het EVB is ontworpen voor gebruik in een laag- of hoog-zijdige vermogenschakeltoepassing. Twee of meer van deze EVB’s kunnen worden geconfigureerd in een totempaalaansturing.

Afbeelding 6: Het NCP51705SMDGEVB EVB heeft gaten (linksboven) om een SiC of Si vermogens-MOSFET aan te sluiten en bevat de NCP51705-driver (U1, linksmidden) en het digitale isolator-IC (rechtsmidden). (Bron afbeelding: onsemi)

Het minimaliseren van parasitaire inductantie en capaciteit op de printplaat is belangrijk bij gebruik van de NCP51705 gatedriver met een SiC MOSFET (Afbeelding 7). Enkele overwegingen voor de lay-out van printplaten zijn:

• De NCP51705 moet zo dicht mogelijk bij de SiC MOSFET worden geplaatst, met bijzondere aandacht voor korte sporen tussen VDD, SVDD, V5V, laadpomp en VEE-condensator en de MOSFET.
• Het spoor tussen VEE en PGND moet zo kort mogelijk zijn.
• Er moet een scheiding zijn tussen de hoge dV/dt-sporen en de driver-ingang en DESAT om abnormaal gedrag als gevolg van ruiskoppeling te voorkomen.
• Voor ontwerpen voor hoge temperaturen moeten thermische via’s worden gebruikt tussen het blootliggende eilandje en de buitenlaag om de thermische impedantie te minimaliseren.
• Gebruik brede sporen voor OUTSRC, OUTSNK en VEE.

Afbeelding 7: Aanbevolen printplaatontwerp voor de NCP51705 om parasitaire inductie en capaciteit te minimaliseren voor het aansturen van SiC MOSFET’s. (Bron afbeelding: onsemi)

Conclusie

SiC speelt een belangrijke rol voor ontwerpers om te voldoen aan de eisen van een groeiend aantal en steeds groter wordende verscheidenheid van toepassingen voor energie-infrastructuur. Ontwerpers kunnen nu SiC-componenten gebruiken om efficiëntere ontwerpen voor vermogensomzetting voor hoge spanning, hoge snelheid en hoge stroom te ontwerpen die resulteren in oplossingen met kleinere afmetingen en hogere vermogensdichtheden. De keuze van de optimale verpakkingsvorm is echter belangrijk om maximaal voordeel te halen uit het ontwerp met SiC’s.

Zoals blijkt, moet bij de keuze tussen discrete componenten, IPM’s en PIM’s rekening worden gehouden met een reeks afwegingen wat betreft prestaties, marktintroductietijd en kosten. Bovendien is bij het gebruik van discrete componenten of PIM’s de keuze van de SiC-gatedriver en de optimale printplaatontwerp van cruciaal belang voor betrouwbare en efficiënte systeemprestaties.

Aanbevolen leesmateriaal

1. Ontwerpen met SiC MOSFET’s voor betere efficiëntie van EV-tractieomvormers
2. Veilige en efficiënte modulaire BESS-implementaties met behulp van insteekbare batterijpoolconnectors