Verliezen verminderen, efficiëntie verbeteren en temperatuurbereik vergroten in toepassingen met hoog vermogen

Ontwerpers van energie-intensieve toepassingen hebben kleinere, lichtere en efficiëntere vermogensomzetters nodig die kunnen werken bij hogere spanningen en temperaturen. Dit geldt met name voor toepassingen zoals elektrische voertuigen (EV’s) waar dergelijke verbeteringen leiden tot sneller opladen en een groter rijbereik. Om deze verbeteringen te bereiken, gebruiken ontwerpers vermogensomzetters op basis van WBG-technologieën (wide band gap) zoals siliciumcarbide (SiC).

Vergeleken met silicium (Si) werken deze componenten bij hogere spanningen en wegen ze minder, terwijl ze toch een vergelijkbaar vermogen aan kunnen. Ze werken ook bij hogere temperaturen, waardoor er minder koeling nodig is. SiC-componenten kunnen bij een hogere schakelfrequentie werken, waardoor kleinere passieve componenten kunnen worden gebruikt die de grootte en het gewicht van de converter verminderen. Toch wordt SiC voortdurend verder ontwikkeld, waarbij recentere inspanningen hebben geleid tot een lagere ‘aan’-weerstand, waardoor de vermogensverliezen nog verder afnemen.

Dit artikel bespreekt kort de voordelen van SiC ten opzichte van Si, waarbij EV’s als context worden gebruikt. Vervolgens worden de ontwikkelingen op het gebied van SiC besproken waarna de 4e generatie SiC MOSFET’s van ROHM Semiconductor wordt geïntroduceerd. Daarna wordt geïllustreerd hoe ontwerpers hiermee vermogensverliezen, kosten en de footprint kunnen beperken.

Waarom SiC?

EV’s hebben een grotere accucapaciteit nodig voor een groter rijbereik. Samen met deze trend wordt de accuspanning verhoogd tot 800 volt om de oplaadtijd te verkorten. Daarom hebben ontwerpers van EV’s componenten nodig die bestand zijn tegen deze hogere spanningen en tegelijkertijd de elektrische verliezen en het gewicht beperken. De 4^e generatie SiC MOSFET’s van ROHM Semiconductor hebben lagere verliezen door middel van een hogere spanningstolerantie, lagere geleidings- en schakelverliezen en kleinere afmetingen.

SiC is een WBG-halfgeleider en biedt een uitzonderlijke efficiëntie in schakeltoepassingen met een hoge spanning ten opzichte van Si MOSFET-technologie. Een vergelijking van de fysieke eigenschappen van SiC en Si toont de bron van deze verbetering op basis van deze fysieke eigenschappen: elektrische doorslagveldsterkte, bandkloof, thermische geleidbaarheid en smeltpunt (afbeelding 1).

Afbeelding 1: De voordelen van SiC ten opzichte van Si MOSFET’s op basis van vijf fysieke eigenschappen. (Bron afbeelding: ROHM Semiconductor)

De elektrische doorslagveldsterkte van SiC is tien keer groter dan die van Si, waardoor het mogelijk is om componenten met een hogere doorslagspanning te ontwerpen terwijl tegelijkertijd de dikte van het component wordt verminderd. Door de bredere bandkloof van SiC kan het component bij veel hogere temperaturen werken. De hogere thermische geleidbaarheid vermindert de koeling die nodig is, terwijl het hogere smeltpunt het bedrijfstemperatuurbereik vergroot. Tot slot resulteert de hogere verzadigde elektronendriftsnelheid van SiC in hogere mogelijke schakelfrequenties en lagere schakelverliezen. Deze hogere schakelfrequenties vereisen kleinere filters en andere passieve componenten, waardoor de afmetingen en het gewicht verder afnemen.

MOSFET-ontwikkeling

De oorspronkelijke SiC MOSFET’s gebruikten een planaire structuur waarbij de gate en het kanaal van het component zich op het oppervlak van de halfgeleider bevonden. Planaire componenten zijn beperkt in hun componentdichtheid omdat er een limiet is in hoeverre ontwerpen kunnen worden verkleind om de opbrengst te verbeteren. Het gebruik van MOSFET’s met enkele en dubbele trench biedt de mogelijkheid om hogere componentdichtheden te bereiken (afbeelding 2).

Afbeelding 2: Trench-MOSFET’s bereiken hogere componentdichtheden door de componentelementen verticaal te plaatsen. (Bron afbeelding: ROHM Semiconductor)

Net als andere MOSFET’s bevat een trench-MOSFET-cel de drain, gate en source, maar is verticaal geplaatst. Het kanaal vormt zich verticaal, parallel aan de gate trench, door middel van het veldeffect. De stroomrichting is verticaal van source naar drain. Vergeleken met een planair component, dat horizontaal is en veel oppervlakte inneemt, is deze structuur zeer compact.

De structuur met één trench maakt gebruik van een trench met één gate. Het component met dubbele trenches heeft een trench voor zowel de gate als de source. ROHM Semiconductor is overgestapt op de dubbele trenchstructuur voor zijn SiC MOSFET’s van de 3^e generatie. Het ontwerp van de 4e generatie verbeterde het dubbele-trench-ontwerp door de celgrootte te verkleinen, waardoor de aan-weerstand en parasitaire capaciteit verder afnamen. Dit leidde tot veel lagere vermogensverliezen en de mogelijkheid om kleinere SiC-componenten te gebruiken voor kosteneffectievere systeemontwerpen.

Het verlagen van de aan-weerstand van een MOSFET kan het vermogen om kortsluitingen te verwerken in gevaar brengen. De 4e generatie SiC MOSFET heeft echter een lagere aan-weerstand zonder dat dit ten koste gaat van de kortsluitvastheid, waardoor deze componenten een aanzienlijk voordeel bieden bij het bereiken van zowel een hoog rendement als een robuuste kortsluitvastheid.

Verliezen uitgelegd

Verliezen in een geschakelde converter zijn afkomstig van verschillende bronnen; de verliezen die geassocieerd worden met de actieve componenten omvatten geleidings-, schakel- en lichaamsdiodeverliezen (afbeelding 3).

Afbeelding 3: Weergegeven is een schema van een buck DC/DC-converter gelabeld om de schakelgolfvormen en de bijbehorende verliesgolfvormen te tonen. (Bron afbeelding: ROHM Semiconductor)

De buck-converter maakt gebruik van een totempaalontwerp met een high-side (S_H) en een low-side (S_L) MOSFET-schakelaar. De schakelaars worden uit fase gestuurd zodat er slechts één tegelijk geleidt. De golfvormen van de gate drive (V_GSH en V_GSL) tonen de amplitudestappen als gevolg van de bijbehorende oplaadintervallen voor de parasitaire capaciteiten van het component. De golfvormen voor de drain-to-source-spanning (V_DSH, V_DSL) en drainstroom (I_DH, I_DL) voor beide componenten worden getoond. Als het component aan staat, is de V_DS laag. Als het component uit staat, is de V_DS hoog. Gedurende de tijd dat de S_H is ingeschakeld, neemt de drainstroom lineair toe terwijl het magnetische veld van de spoel wordt opgeladen. Gedurende deze tijd ontwikkelt de stroom door de kanaalweerstand een spanning over het kanaal, wat leidt tot geleidingsverliezen (P_COND) die evenredig zijn met het kwadraat van de stroom en de aan-weerstand van het kanaal. Tijdens de intervallen waarin de staat van het component verandert, zijn de spanning en stroom beide niet-nul en wordt er vermogen gedissipeerd in het component dat evenredig is met de spanning, stroom, schakeltijd en schakelfrequentie. Dit zijn de schakelverliezen.

Een vergelijkbare situatie doet zich voor wanneer S_L is ingeschakeld. Hier neemt de stroom lineair af naarmate de in de spoel opgeslagen energie de drainstroom in het onderste component levert. Opnieuw dissipeert de kanaalweerstand vermogen als geleidingsverlies. Merk op dat de V_DSL in het onderste component bijna nul is voordat de stroom niet-nul wordt, dus er zijn geen schakelverliezen verbonden aan dit deel van de cyclus.

Het terugwinningsverlies (P_Qrr) wordt veroorzaakt door de terugwinning van de lichaamsdiode van de componenten; voor de duidelijkheid wordt dit alleen weergegeven voor de hoge kant.

P_body is de lichaamsdiodegeleiding van de componenten. Dit verlies wordt gegenereerd door de stroom die door de lichaamsdiode van het component aan de lage zijde gaat.

Het totale vermogensverlies is de som van al deze onderdelen voor beide transistors.

Verbeterde prestaties van SiC MOSFET’s van de 4^e generatie

Een vergelijking van de prestaties van Si IGBT en SiC MOSFET’s van de 3^e en 4^e generatie werd uitgevoerd met een 5 kilowatt (kW) volledige-brug-inverter (afbeelding 4). In deze volledige-brug-schakeling zijn de schakelcomponenten parallel geschakeld voor een hogere stroomcapaciteit. De volledige brug gebruikt in totaal acht componenten. De acht componenten zijn gemonteerd op het koellichaam in de linker afbeelding. De efficiëntie van de schakeling werd geëvalueerd met de oorspronkelijke IGBT en de MOSFET’s van de 3^e en 4^e generatie. De inverter werkt op een schakelfrequentie van 40 kilohertz (kHz) met de SiC MOSFET’s en op 20 kHz met de IGBT.

Afbeelding 4: Afgebeeld zijn een 5 kW ventilatorloze inverter en het bijbehorende schema. Deze schakeling werd oorspronkelijk ontworpen met silicium IGBT’s op 20 kHz, en uitgevoerd met zowel 3^e als 4^e generatie SiC MOSFET’s op 40 kHz. De prestaties van de drie halfgeleidertypes werden vergeleken. (Bron afbeelding: ROHM Semiconductor)

Het component van de 3^e generatie was een ROHM Semiconductor SCT3030AL met een nominale spanning van 650 volt en een kanaalweerstand (R_DS(ON)) van 30 milliohm (mΩ). De 4^e generatie MOSFET was een ROHM Semiconductor SCT4026DEC11. De spanning op het component van de 4^e generatie werd verhoogd naar 750 volt. De bijbehorende R_DS(ON) is 26 mΩ, een reductie van 13% die de geleidingsverliezen enigszins vermindert.

Een vergelijking van de verliezen van beide SiC MOSFET’s met die van de oorspronkelijke IGBT toont de verbetering in efficiëntie (afbeelding 5).

Afbeelding 5: De SiC MOSFET’s van de 4^e generatie hebben aanzienlijk lagere verliezen in vergelijking met de oorspronkelijke Si IGBT en componenten van de 3^e generatie. (Bron afbeelding: ROHM Semiconductor)

Het component van de 4^e generatie verlaagde de geleidingsverliezen (blauw) van 10,7 naar 9,82 watt in vergelijking met het component van de 3^e generatie. Een significantere reductie werd bereikt bij de schakelverliezen (oranje), een daling van 16,6 naar 8,22 watt.

Extra verbeteringen in de componenten van de 4^e generatie zijn onder andere verbeterde gate drive mogelijkheden. De SiC MOSFET’s van de 4e generatie kunnen worden aangestuurd met 15 volt; componenten van de 3e generatie hebben 18 volt nodig. Dit betekent dat schakelingen ontworpen met Si-componenten MOSFET’s van de 4^e generatie kunnen gebruiken als drop-in vervangers. Bovendien is de aanbevolen drive-spanning tijdens uitschakeling 0 volt voor de 4e generatie SiC MOSFET’s. Vóór de producten van 4^e generatie had de gate-to-source-spanning een negatieve voorspanning (bias) nodig tijdens turn-off om zelfinschakeling te voorkomen. Bij de 4e generatie componenten is de drempelspanning (Vth) echter hoog om de zelfinschakeling te onderdrukken, waardoor er geen negatieve voorspanning meer nodig is.

4^e generatie oplossingen

De 4^e generatie SiC MOSFET-oplossingen van ROHM Semiconductor worden verdeeld in twee groepen op basis van het componentpakket. De SCT4026DEC11, die hier werd besproken, is een 750 volt, 56 ampère (A) (+25 °C)/29 A (+100 °C), 26 mΩ SiC MOSFET in een TO-247N-pakket met drie pennen. Een voorbeeld van een alternatief pakket met 4 pennen is de SCT4013DRC15, een 750 volt, 105 A (+25 °C)/74 A (+100 °C), 13 mΩ component in een TO-247-4L-pakket met vier pennen.

Het pakket met vier pennen heeft een extra pen die de schakelsnelheid van de MOSFET verbetert. Het conventionele TO-247N-pakket met drie pennen isoleert de gate drive niet van de parasitaire source-lead inductantie vanwege de hoge drainstroom. De gatespanning wordt aangelegd tussen de gate- en source-pennen. De effectieve gatespanning op de chip wordt verlaagd door de spanningsval over de parasitaire inductantie (V_L) van de source-aansluiting, waardoor de schakelsnelheid wordt verlaagd (afbeelding 6).

Afbeelding 6: De vierde pen op de TO-247-4L isoleert de gate drive-pen van de source-pen met behulp van een extra verbindingspen in een Kelvin-verbinding. (Bron afbeelding: ROHM Semiconductor)

Het TO-247-4L-pakket met vier pennen splitst de gate drive- en source-pennen die de gate drive direct intern met de source verbinden. Dit minimaliseert de effecten van de parasitaire inductantie van de source-pen. De directe verbinding van de gate drive op de interne source-aansluiting maakt het mogelijk om de schakelsnelheid van SiC MOSFET’s te maximaliseren, waardoor het totale schakelverlies (in- en uitschakelen) tot 35% lager is dan bij de conventionele TO-247N-pakketten met drie pennen.

De tweede onderscheidende specificatie voor de 4^e generatie SiC MOSFET’s is de spanningswaarde. De componenten zijn verkrijgbaar met een spanning van 750 volt of 1200 volt. De twee componenten die tot nu toe zijn besproken, hebben een spanning van 750 volt. Voor toepassingen met een hogere spanning is de SCT4062KEC11, een 1200 volt, 62 mΩ, 26 A (+25 °C)/18 A (+100 °C) SiC N-kanaals MOSFET in een TO-247N-pakket met drie pennen, verkrijgbaar evenals de SCT4036KRC15, een 1200 volt, 36 mΩ, 43 A (+25 °C)/30 A (+100 °C) N-kanaals MOSFET is in een TO-247-4L-pakket met vier pennen. In totaal zijn er momenteel tien SiC MOSFET’s van de 4^e generatie beschikbaar, met stroomwaarden van 26 A tot 105 A bij +25 °C. Ze hebben een R_DS(ON) van 13 tot 62 mΩ.

EV-toepassingen

De specificaties van de 4^e generatie SiC MOSFET zijn goed afgestemd op EV-toepassingen. Volledig elektrische EV’s (Battery Electric Vehicles of BEV’s) met een spanning van 400 of 800 volt zijn hier een voorbeeld van (afbeelding 7).

Afbeelding 7: Typische 4^e generatie SiC MOSFET-toepassingen in een volledig elektrische EV en bijbehorende externe accessoires. (Bron afbeelding: ROHM Semiconductor)

Afbeelding 7 toont een blokschema van een volledig elektrische EV met een accuspanning van 400 of 800 volt, die zowel bidirectioneel als snelladen ondersteunt. De onboard-lader (OBC) bevat totempaal-schakelingen voor arbeidsfactorcorrectie (PFC’s) en een bidirectionele CLLC-resonantie-converter met volledige brug (condensator, inductor, inductor, condensator). De externe ‘Quiq’ DC-lader laadt de accu rechtstreeks op. De accu drijft de tractie-inverter aan, die gelijkstroom omzet in driefase wisselstroom om de motor aan te drijven. Al deze schakelingen maken gebruik van MOSFET’s in verschillende schakelingconfiguraties voor de vereiste vermogensniveaus. SiC MOSFET’s van de 4^e generatie zijn belangrijk omdat ze de fysieke afmetingen van het circuit verkleinen en het spanningsbereik verhogen terwijl ze de verliezen en kosten verlagen.

Conclusie

Voor ontwerpers van toepassingen met een hoge spanning en hoog vermogen, waaronder EV’s, datacenters en basisstations, zijn 4^e generatie SiC MOSFET’s belangrijke vermogensschakelcomponenten. Zoals we hebben gezien, maken ze gebruik van een unieke structuur om de vermogensomzettingsefficiëntie sterk te verbeteren door verliezen te verminderen, terwijl ze ook de footprint en kosten verkleinen.

Aanbevolen leesmateriaal

1. Effectieve implementatie van SiC-vermogenscomponenten voor elektrische voertuigen met een grotere actieradius
2. Pas de juiste voedingscomponenten correct toe om te voldoen aan de vereisten van industriële voedingen