EUR | USD

Effectieve implementatie van SiC-vermogenscomponenten voor elektrische voertuigen met een grotere actieradius

By Bill Schweber

Contributed By De Noord-Amerikaanse redacteurs van Digi-Key

Bij elektrische en hybride voertuigen (EV's/HEV's) wordt veel aandacht besteed aan de accu. Maar in feite is het subsysteem voor algeheel powermanagement — inclusief functies zoals motoraandrijving, ingebouwde en externe laders, stroomverbruik en regeneratief remmen — technisch gezien even belangrijk als het gaat om het verbeteren van EV-prestaties. Daarom wordt er, naarmate de vraag naar elektrische auto's blijft toenemen, veel nadruk gelegd op de ontwikkeling en toepassing van verbeterde componenten die het accugebruik optimaliseren en de actieradius van de auto vergroten.

De overgang van standaard MOSFET's (afkorting van Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) als vermogensregelaar naar veldeffecttransistors (of FET’s) op basis van SiC-substraat en procestechnologie is een belangrijke stap in de richting van hogere efficiëntie en betere algehele systeemkenmerken van EV's. Maar om de voordelen van deze SiC-componenten volledig te kunnen realiseren, is nieuw inzicht nodig in hun kritieke specificaties en aansturingsvereisten.

Dit artikel geeft een overzicht van de vermogensvereisten van EV's en HEV's en legt uit waarom op SiC gebaseerde vermogenscomponenten zeer geschikt zijn voor deze functie. Tevens worden de functies van de bijkomende drivers toegelicht. Na een korte uiteenzetting van de implicaties van de AEC-Q101-normen voor gekwalificeerde discrete componenten voor de auto-industrie worden twee AEC-gekwalificeerde SiC-vermogenscomponenten van ROHM Semiconductor geïntroduceerd. Tot slot worden de belangrijkste kenmerken benadrukt waarmee rekening moet worden gehouden bij een succesvol ontwerp.

Elektrisch aandrijven van EV’s en HEV's

De vereisten voor de powersubsystemen van alle voertuigen — zowel die met een interne verbrandingsmotor als EV’s en HEV’s — groeien exponentieel om tegemoet te komen aan functies zoals geavanceerde rijhulpsystemen, elektrische ramen, deuren en spiegels, interne netwerken en connectiviteit, radar, entertainmentsystemen en GPS.

Auto’s met een interne verbrandingsmotor zijn meestal uitgerust met een standaard 12 V-loodaccu van 100 tot 200 ampère-uur (Ah). Het vermogen van deze accu’s is echter bescheiden vergeleken met de eisen die gesteld worden aan accu's in elektrische auto’s, die ook nog eens moeten zorgen voor de primaire aandrijving (Afbeelding 1). Daarom varieert de accucapaciteit in een elektrische auto tussen de 50 en 150 kilowattuur (kWh), afhankelijk van de functie van het voertuig, de grootte en de leverancier, met doorgaans een spanning van 200 tot 300 volt. Om te kunnen vergelijken, converteren we dit naar Ah aan de hand van de volgende formule: Ah = (kWh × 1000)/volt.

Illustratie van op accu gebaseerde elektrische subsystemen in een EVAfbeelding 1: De op accu gebaseerde elektrische subsystemen in een elektrische auto leveren de stroom voor de tractiemotoren en bijbehorende functies, evenals de vele functies die nu standaard aanwezig zijn en die bestuurders verwachten. (Bron: ROHM Semiconductor)

Naast de vele kleinere DC/DC-omzetters voor interne functies en opladen, gebruiken veel (maar niet alle) EV's wisselstroom (AC) met variabele frequentie via DC/AC-omzetters om hun tractiemotoren aan te drijven. Het vermogen van de tractiemotor varieert van ongeveer 150 pk voor low-end voertuigen tot meer dan 500 pk voor een topmodel Tesla. Aangezien één pk ongeveer gelijk is aan 750 watt (W) is de hoeveelheid stroom die nodig is voor de motoren aanzienlijk.

Hoewel de algehele effectiviteit van elektrische subsystemen van veel factoren afhangt, zijn de prestaties van de schakelende spanningsstabilisator toch wel één van de belangrijkste. Een spanningsstabilisator transformeert de accuspanning rechtstreeks naar de spanning/stroom die nodig is voor de aandrijving en voor het opladen van de accu.

De reden hiervoor is eenvoudig: bij een stroom van een paar honderd ampères wordt een simpele daling in stroom-weerstand (I·R) een kritieke parameter. Bij 100 A bijvoorbeeld wordt zelfs een aan-weerstand (RDS(ON)) van 100 milliohm (mΩ) problematisch en wel om twee redenen: ten eerste hebben we te maken met een verlies van 10 volt aan leverbaar potentieel en ten tweede een vermogensdissipatie (I2R) van 100 W die moet worden beheerd. Naast deze RDS(ON)-verliezen zijn er ook schakelverliezen in de DC/AC- en DC/DC-omzetters die de efficiëntie en de levensduur van de accu verminderen én bijdragen aan de af te voeren thermische belasting.

Waarom een SiC overwegen?

Deze statische verliezen wijzen op twee welbekende tactieken voor het verminderen van IR-daling en I2R-verliezen: (1) verlaag de aan-weerstand en (2) verhoog de bedrijfsspanning van het systeem, waardoor de stroom die nodig is om een bepaald vermogen aan een belasting te leveren, wordt verlaagd. Wat betreft dynamische schakelverliezen heeft elke verbetering die deze verliezen kan verminderen (zoals fysische eigenschappen, schakelfrequentie en andere factoren) een enorme impact.

Sinds enkele decennia zijn de meeste schakelcomponenten silicium- oftewel Si-MOSFETS en bipolaire transistors met geïsoleerde gate (Insulated Gate Bipolar Transistor of IGBT). Hoewel technologische veranderingen de prestaties van deze componenten aanzienlijk hebben verhoogd, zijn verbeteringen grotendeels op hetzelfde niveau gebleven. Ook vereisen EV’s schakelcomponenten met steeds betere specificaties die bovendien betrouwbaar en aantrekkelijk zijn.

Gelukkig heeft zich de laatste decennia een andere procestechniek voor halfgeleider-MOSFET's ontwikkeld en wel op basis van siliciumcarbide (SiC) in plaats van alleen silicium. SiC bestaat uit gelijke delen silicium en koolstof die een covalente binding vormen. Hoewel er meer dan 100 verschillende SiC-polytypen (unieke structuren) zijn, zijn typen 4H en 6H om productie- en verwerkingsredenen het interessantst.

SiC-MOSFET's bieden een aantal belangrijke attributen ten opzichte van Si-MOSFET’s:

  • SiC levert een kritisch elektrisch veld dat ongeveer acht keer zo hoog is als dat van Si, waardoor het zeer geschikt is voor vermogenshalfgeleidercomponenten. Dankzij de hoge diëlektrische sterkte zijn de chips veel dunner en kunnen ze naar een veel hoger niveau worden gedoteerd, wat leidt tot lagere verliezen.
  • SiC heeft een drie keer zo groot warmtegeleidingsvermogen als Si, dus alle gegenereerde warmte kan via geleiding worden overgedragen met een veel lagere temperatuurval over het materiaal zelf.
  • SiC heeft een zeer hoge smelttemperatuur die een bedrijfstemperatuur van ruim 400 °C mogelijk maakt (standaard Si is beperkt tot 150 °C). Dankzij deze hogere bedrijfstemperatuur wordt koeling aanzienlijk eenvoudiger, waardoor SiC-componenten in omgevingen met een hogere omgevingstemperatuur kunnen worden gebruikt, aangezien er nog steeds voldoende temperatuurverschil is voor thermische geleiding en convectie.
  • SiC heeft een twee tot drie keer zo hoge maximale stroomdichtheid als silicium, waardoor voor een bepaald vermogensniveau de kosten voor zowel de componenten als het systeem kunnen worden verlaagd.

Zoals Tabel 1 laat zien, is er een aanzienlijk verschil tussen de elektrische specificaties van standaard silicium, 4H SiC en 6H SiC. Dankzij een hogere bandkloofenergie en kritisch elektrisch veld kan SiC bij hogere spanning werken, terwijl lagere waarden voor elektron- en gatmobiliteit leiden tot minder schakelverliezen, waardoor hogere frequenties mogelijk zijn (wat tevens leidt tot kleinere filters en passieve componenten). Tegelijkertijd zijn door de hogere thermische geleidbaarheid en bedrijfstemperatuur de koelingsbehoeften aanzienlijk eenvoudiger.

Elektrische eigenschappen Si SiC (4H) SiC (6H) Diamant
Bandkloofenergie (eV) 1,12 3,28 2,96 5,5
Kritisch elektrisch veld (MV/cm) 0,29 2,5 3,2 20
Elektronmobiliteit (cm²/Vs) 1200 800 370 2200
Gatmobiliteit (cm²/Vs) 490 115 90 1800
Warmtegeleiding (W/cmK) 1,5 3,8 3,8 20
Maximale overgangstemperatuur (°C) 150 600 600 1927

Tabel 1: Belangrijke elektrische materiaaleigenschappen voor silicium, twee soorten SiC en (ter vergelijking) diamant. (Bron: Semantic Scholar)

SiC-ontwikkeling en AEC-Q101

De ontwikkeling van SiC-componenten van theoretische belofte naar praktische toepassing is niet vanzelf gegaan. De afgelopen tien jaar zijn SiC-MOSFET’s echter enorm gegroeid en door verschillende generaties geëvolueerd — en elke generatie bracht zowel procesverbeteringen als aanzienlijke structurele veranderingen met zich mee.

Zo produceert ROHM Semiconductor bijvoorbeeld al geruime tijd 2e generatie SiC-componenten die veel worden gebruikt in de auto-industrie. De meeste standaard SiC-MOSFET’s, waaronder deze 2e generatie componenten, gebruiken een vlakke structuur die naarmate de celgrootte wordt verkleind de ondergrens van de interne FET-weerstand benadert (Afbeelding 2). Daarentegen maken 3e generatie ROHM-producten gebruik van een dubbele trench-structuur onder de gate en de source, waardoor het mogelijk is om zowel de kanaalafmetingen als de aan-weerstand te verlagen.

Illustratie van de overgang van 2e naar 3e generatie ROHM SiC-componentenAfbeelding 2: De overgang van 2e naar 3e generatie SiC-componenten van ROHM omvat procesverbeteringen en belangrijke structurele veranderingen. (Bron: ROHM Semiconductor)

Dankzij de bedrijfseigen trench-gate-structuur van ROHM zijn de weerstand en ingangscapaciteit van 3e generatie SiC-MOSFET’s respectievelijk 50% en 35% lager ten opzichte van bestaande planaire SiC-MOSFET’s. Dit leidt tot een aanzienlijk lager schakelverlies en hogere schakelsnelheden, waardoor de efficiëntie wordt verbeterd. Bovendien hebben deze 1200/1800 V-SiC-MOSFET's, vergeleken met die voor 600 V en 900 V, een kleiner chipoppervlak (en dus een kleinere behuizing) samen met een lager herstelverlies door de interne diodes.

AEC-normen

Een andere uitdaging waar de ontwikkeling van SiC-componenten al meerdere generaties mee te maken heeft, is voldoen aan de AEC-Q101-kwalificatienorm. Deze norm is gebaseerd op een reeks specificaties van de Automotive Electronics Council (AEC), een organisatie bestaande uit grote autofabrikanten en Amerikaanse fabrikanten van elektronische componenten die verantwoordelijk zijn voor het opstellen van betrouwbaarheidstests voor auto-elektronica. De belangrijkste protocollen zijn:

  • AEC-Q100 (IC-componenten)
  • AEC-Q101 (discrete componenten zoals MOSFET's)
  • AEC-Q102 (discrete opto-elektronica)
  • AEC-Q104 (multichipmodules)
  • AEC-Q200 (passieve onderdelen)

De AEC-Q101-norm is veel strenger dan de norm die op grote schaal in industriële toepassingen wordt gebruikt. AEC-specificaties stellen een reeks klassen vast die worden weergegeven in tabel 2. SiC-componenten kunnen aan klasse 0 (-40 °C tot +150 °C) voldoen, terwijl componenten met alleen Si dat over het algemeen niet kunnen. Klasse 1 is geschikt voor toepassingen in de auto zelf en garandeert dat het component stabiel is bij een omgevingstemperatuur tussen -40 °C en +125 °C, maar voor de transmissie en toepassingen onder de motorkap is klasse 0 vereist.

Gebied Auto-industrie Commercieel/industrieel
Stresscondities Afhankelijk van de gewenste temperatuurklasse
  • Klasse 0: -40 °C tot +150 °C
  • Klasse 1: -40 °C tot +125 °C
  • Klasse 2: -40 °C tot +105 °C
  • Klasse 3: -40 °C tot +85 °C
  • Klasse 4: 0 °C tot +70 °C
Gekwalificeerd tot klasse 1, mogelijk versneld
Elektrische test Kamertemperatuur en hoge en lage temperatuurextremen per temperatuurklasse Kamertemperatuur
ESD-CDM Hoekpennen = 750 V min en alle andere pennen = 5000 V min andere testmethode en tester Alle pennen = 250 V min
Afmetingen Cpk > 1,33 en Ppk > 1,67 voor alle afmetingen Voldoet aan datasheetspecificaties
Unieke kwalificatiestresstests voor auto's
  1. Power Temperature Cycle
  2. Bond Pull after Temperature Cycle
  3. Early Life Failure Rate
Geen
Samenstelling kwalificatiepartijen 3 niet-opeenvolgende waferpartijen en 3 niet-opeenvolgende assemblagepartijen voor alle kwalificatietypen Kwalificatie waferfabricagetechnologie = 3 waferpartijen; behuizingkwalificatie = 3 assemblagepartijen

Tabel 2: AEC-betrouwbaarheidskwalificatienormen zijn veel strenger dan de normen die worden gebruikt voor commerciële en industriële toepassingen. (Bron: Texas Instruments)

Let wel dat sommige leveranciers melden dat industriële toepassingen in toenemende mate de AEC-Q100-specificaties gebruiken om betere betrouwbaarheid te garanderen. Dit is qua kosten een praktische oplossing, aangezien grootschalig gebruik van elektronische apparaten en componenten in auto's het prijsverschil tussen de industriële en automobielsector aanzienlijk heeft verlaagd.

SiC-componenten zijn geschikt voor matige tot hoge stroomvereisten

SiC-componenten zijn niet alleen bedoeld voor toepassingen met hoge stroomvereisten zoals EV's. Behalve de transmissie zijn er tal van kleinere elektrische functies (denk aan elektrische stoelen/ramen, stoel- en autoverwarming, accuvoorverwarmers, wisselstroommotoren, stuurbekrachtiging etc.) die baat kunnen hebben van SiC-MOSFET's.

Zo is de SCT3160KL van ROHM bijvoorbeeld een N-kanaal SiC power MOSFET die is geoptimaliseerd voor belastingen tot 17 A (afbeelding 3). Deze wordt geleverd in een TO-247N-behuizing van slechts 16 mm (b) x 21 mm (h) x 5 mm (d) en bevat een koelplaatje aan de achterkant waarmee hij eenvoudig aan een koellichaam kan worden bevestigd (afbeelding 4). De primaire specificaties in tabel 3 tonen aan dat hij zeer geschikt is voor bescheiden stroom- en vermogensvereisten.

Illustratie van de ROHM SCT3160KL, een standaard N-kanaal SiC power MOSFETAfbeelding 3: De SCT3160KL van ROHM is een standaard N-kanaal SiC power MOSFET voor belastingen tot 17 A. (Bron: ROHM Semiconductor)

Illustratie van ROHM SCT3160KL in een behuizing van 16 mm × 21 mm × 5 mmAfbeelding 4: De SCT3160KL wordt geleverd in een behuizing van 16 mm x 21 mm x 5 mm en bevat een koelplaatje aan de achterkant voor verbeterde warmteafgifte. (Bron: ROHM Semiconductor)

UDSS 1200 V
RDS(ON) (typ.) 160 mΩ
ID 17 A
PD 103 W

Tabel 3: De basisspecificaties van de SCT3160KL tonen aan dat hij geschikt is voor de vele kleinere belastingen in een EV of de vermogensbehoeften van andere toepassingen. (Bron: ROHM Semiconductor)

Het maximale veilige werkgebied (Safe Operating Area of SOA) in afbeelding 5 geeft aan dat dit SiC-component zeer geschikt is voor een gepulseerde bedrijfcyclus, wat typisch is voor schakelaars en regelaars bij hogere spanningen.

Grafiek van het veilig werkgebied (SOA) voor de ROHM SCT3160KLAfbeelding 5: De grafiek van het veilig werkgebied (SOA) voor de SCT3160KL bepaalt en beperkt de maximale grenswaarden voor drainstroom, drain-sourcespanning en pulsvermogen. (Bron: ROHM Semiconductor)

Uiteraard komen de voordelen van op SiC gebaseerde componenten het best tot hun recht bij hogere stroomniveaus. Neem nu de SCT3022AL van ROHM, ook een N-kanaal SiC power MOSFET in een TO-247N-behuizing. De primaire specificaties (Tabel 4) en het veilige werkgebied (afbeelding 6) tonen aan dat deze MOSFET zeer geschikt is voor vermogensomvorming voor motoraandrijving, accubeheer en het opladen van accu's in elektrische auto’s — en wel dankzij een lagere aan-weerstand en hogere stroomsterktes.

UDSS 650 V
RDS(ON) (typ.) 22 mΩ
ID 93 A
PD 339 W

Tabel 4: De SCT3022AL N-kanaal SiC power MOSFET van ROHM is dankzij een lage aan-weerstand en andere attributen zeer geschikt voor toepassingen met een hogere stroomsterktes. (Bron: ROHM Semiconductor)

Illustratie van het veilige werkgebied (SOA) van de SCT3022AL N-kanaal SiC power MOSFET van ROHMAfbeelding 6: Het veilige werkgebied (SOA) geeft duidelijk aan dat de SCT3022AL N-kanaal SiC power MOSFET relatief hoge stroomsterktes en vermogensniveaus efficiënt ondersteunt. (Bron: ROHM Semiconductor)

Geschikte gatedrivers voor SiC-FET’s

Vermogenschakelaars — zowel Si-MOSFET's en SiC-FET’s als IGBT’s — zijn slechts een deel van het totale vermogensconversie/regelaarontwerp. In werkelijkheid bestaat een high-power ’signaalketen’ uit drie functies: de controller, de gatedriver en de vermogenshalfgeleider.

Hoewel SiC- en Si-componenten (én IGBT's) vergelijkbare kenmerken hebben wat betreft aansturing, vertonen ze ook aanzienlijke verschillen. Vanwege de lage transconductantie van SiC-MOSFET's is de overgang van het lineaire (ohmse) gebied naar het verzadigingsgebied bijvoorbeeld niet zo scherp gedefinieerd als voor Si-componenten. Daarom is de gate-sourcespanning (UGS) in aan-stand bij SiC-componenten hoger dan 20 volt, terwijl de waarde in uit-stand tussen -2 volt en -5 volt ligt (omdat de UGS-drempelwaarde een lage ruismarge heeft).

SiC-drivers vereisen het volgende:

  • Relatief hoge voedingsspanning (25 tot 30 volt) om een hoge efficiëntie te bereiken door lage geleidingsverliezen.
  • Hogere stuurstroom (meestal > 5 A) en een driver met lage impedantie, hoge variatiesnelheid en een momentane spanningsverandering over tijd (dU/dt) voor lagere schakelverliezen bij het sturen van stroom in en uit de gatecapaciteit.
  • Snelle kortsluitbeveiliging (meestal een respons van < 400 ns), omdat SiC-componenten sneller schakelen dan Si-componenten.
  • Lagere propagatievertragingswaarden en afwijkingen tussen eenheden (opnieuw voor een hoge efficiëntie).
  • En tot slot ultrahoge dU/dt-immuniteit voor een gegarandeerd robuuste werking in bedrijfsomgevingen met hoge stroom en hoge spanning.

De onderstaande tabel geeft een samenvatting van de verschillen tussen op SiC gebaseerde FET’s, Si-MOSFET's en IGBT's.

Schakelaar Si-MOSFET Si-IGBT SiC
Schakelfrequenties Hoog (> 20 kHz) Laag tot medium (5 kHz tot 20 kHz) Hoog (> 50 kHz)
Basisbeveiliging Nee Ja – Desaturatie, Miller clamping Ja – Stroomdetectie, Miller clamping
Max UDD (voeding) 20 V 30 V 30 V
UDD-bereik 0 V tot 20 V 10 V tot 20 V -5 V tot 25 V
UDD in bedrijf 10 V tot 12 V 12 V tot 15 V 15 V tot 18 V
UVLO 8 V 12 V 12 V tot 15 V
CMTI 50 V/ns tot 100 V/ns < 50 V/ns > 100 V/ns
Propagatievertraging Hoe kleiner hoe beter (< 50 ns) Hoog (niet kritiek) Hoe kleiner hoe beter (< 50 ns)
Railspanning Tot max 650 V > 650 V > 650 V
Gangbare toepassingen Voedingen – server, datacom, telecom, fabrieksautomatisering, ingebouwde en externe laders, micro-omvormers en stringomvormers voor zonnepanelen (< 3 kW) en 400 V tot 12 V DC/DC – auto Motoraandrijving (wisselstroommachines), UPS, centrale en stringomvormers voor zonnepanelen (< 3 kW) en tractieomvormers voor auto's PFC – voedingen, omvormers voor zonnepanelen, DC/DC-omzetters voor elektrische en hybride auto's en tractieomvormers voor elektrische auto’s, motoraandrijving en spoorwegen

Tabel 5: Hoewel op Si gebaseerde MOSFET's en IGBT's enigszins vergelijkbare aansturingsvereisten hebben, zijn de specificaties voor SiC-drivers nogal verschillend. (Bron: Texas Instruments)

Vanwege de hoge spanningen waarop deze componenten werken, samen met verschillende andere systeemtopologiefactoren, zijn regelgevingskwesties met betrekking tot lucht- en kruipstroomafstanden doorgaans opgenomen in de ontwerpcriteria. Bovendien is het bijna altijd nodig om galvanische (ohmse) scheiding te hebben tussen de controller en de vermogenscomponenten.

Een dergelijke scheiding kan worden geleverd door een afzonderlijk, onafhankelijk component dat tussen de controller en de driver wordt geplaatst of ingebed in een multichip-drive. Deze laatste optie leidt tot een kleinere totale voetafdruk, maar sommige ontwerpers geven de voorkeur aan onafhankelijke isolators, zodat ze de isolatiemethode (bijv. magnetisch, optisch, capacitief) zelf kunnen kiezen, samen met prestatiespecificaties.

Zo is de UCC27531-Q1 van Texas Instruments bijvoorbeeld een AEC-Q100-gekwalificeerde (Klasse 1) niet-geïsoleerde, eenkanaals-, hogesnelheids-gatedriver voor het aansturen van onder andere SiC-componenten (Afbeelding 7). Deze driver levert een piekstuurstroom tot 2,5 A in source-modus en 5 A in sink-modus bij een UDD van 18 volt. Sterk ‘sinken’ in asymmetrische aansturingsmodus verhoogt de immuniteit tegen het parasitaire Miller-inschakeleffect. Dankzij de typische propagatievertraging van 17 ns (typ.) en snelle stijg-/daaltijden van 15/7 ns tijdens het aansturen van een belasting van 1800 pF werkt deze uitstekend met SiC-componenten.

Illustratie van de niet-geïsoleerde UCC27531-Q1 gatedriver van Texas InstrumentsAfbeelding 7: De niet-geïsoleerde UCC27531-Q1 gatedriver van Texas Instruments is zeer geschikt voor de technische vereisten van SiC-schakelcomponenten. (Bron: Texas Instruments)

Hoewel deze kleine SOT-23-driver met zes aansluitingen een eenvoudig component lijkt te zijn met een simpele functionaliteit, moet voor een effectieve aansturing uitvoerig aandacht worden geschonken aan de specifieke behoeften van SiC-componenten.

De uitgangstrap implementeert een unieke architectuur waarmee op het juiste moment de hoogste pieksourcestroom kan worden geleverd. Dit is tijdens het Miller-plateau van de inschakelovergang van de schakelaar, wanneer de drain/collectorspanning de hoogste dU/dt bereikt (afbeelding 8). Dit gebeurt door de N-kanaal MOSFET in te schakelen tijdens het nauwe venster wanneer de uitgang van laag naar hoog verandert en de gatedriver een korte boost in de pieksourcestroom kan leveren, waardoor snel inschakelen mogelijk is.

Illustratie van de UCC27531-Q1 gatedriver van Texas InstrumentsAfbeelding 8: De UCC27531-Q1 gatedriver van Texas Instruments voegt speciale schakelingen en timing toe voor een optimale sourcestroom op het moment dat het SiC-component deze het hardst nodig heeft. (Bron: Texas Instruments)

Eén van de geïsoleerde SiC-driveroplossingen is de SIC1182K van Power Integrations, een 8A eenkanaals-SiC-gatedriver met geavanceerde actieve clamping en versterkte isolatie tot 1200 V. Hoewel deze geïsoleerde SiC-drivermodule niet AEC-gekwalificeerd is, biedt Power Integrations een zeer vergelijkbare serie SID11x2KQ MOSFET/IGBT-gatedrivers met AEC-100-kwalificatie klasse 1. Een voorbeeld is de SID1182KQ-TL, een 8 A/1200 V eenkanaals-IGBT/MOSFET-gatedriver.

De SIC1182K heeft een 16-polige eSOP-R16B-behuizing (9 mm x 10 mm x 2,5 mm) met een lucht- en kruipstroomafstand van 9,5 mm die voldoet aan wettelijke verordeningen en een substantiële primaire aardaansluiting die tevens dienst doet als koellichaam (Afbeelding 9). De driver is geïsoleerd door middel van de bedrijfseigen solide FluxLink-technologie en heeft zowel VDE 0884-10-certificering als UL1577-erkenning (in behandeling).

Illustratie van de SIC1182K geïsoleerde SiC-gatedriver van Power IntegrationsAfbeelding 9: De met elkaar verbonden pootjes 3, 4, 5 en 6 op de SIC1182K geïsoleerde SiC-gatedriver van Power Integrations vormen een thermisch pad evenals een robuuste primaire aardaansluiting. (Bron: Power Integrations)

De SIC1182K combineert kortsluitbeveiliging tijdens de inschakelfase en overspanningsbegrenzing bij het uitschakelen door middel van geavanceerd ‘active clamping’, allemaal via een enkele detectiepen. Een geïsoleerde gate-driver vereist aansluitingen voor primaire en secundaire voeding en aarde, logische besturing en een stuuruitgang. Extra aansluitingen maken deze driver robuuster (Afbeelding 10). Deze omvatten aansluitingen voor een logisch foutsignaal (open drain), een detectie-ingang die kortsluitingen bij het inschakelen detecteert en overspanningen bij het uitschakelen beperkt, een bootstrap- en laadpompspanningsbron en een secundair referentiepotentiaal.

Illustratie van de SIC1182K geïsoleerde SiC-gatedriver van Power IntegrationsAfbeelding 10: De SIC1182K geïsoleerde SiC-gatedriver heeft extra pennen voor robuustere aanstuurfuncties in een praktisch circuit, dat steevast onderhevig is aan storingen en ongewenst gedrag. (Bron: Power Integrations)

Conclusie

Een betrouwbare elektrische auto heeft een geavanceerde accu nodig, evenals eersteklas energiebeheer — en beide kunnen het best worden geleverd door geavanceerde schakelcomponenten zoals SiC-MOSFET's. Zoals hierboven is aangetoond, leveren 2e en 3e generatie componenten superieure prestaties vergeleken met bestaande Si-componenten wat betreft aan-weerstand, verliezen, schakelfuncties en thermische capaciteiten.

Ontwerpers moeten echter ook gatedrivers selecteren die zijn afgestemd op de behoeften van de toepassing, zodat zij het volledige potentieel van deze hoogwaardige SiC-componenten volledig kunnen benutten.

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.

ROHM Automotive Solutions

Automotive Solutions
ROHM Semiconductor’s high-performance ICs and power devices are essential in the automotive industry's move towards electronification.

Achtergrondinformatie over deze auteur

Bill Schweber

Bill Schweber is een elektronisch ingenieur die drie boeken over elektronische communicatiesystemen heeft geschreven, alsmede honderden technische artikelen, opiniërende columns en productkenmerken. In voorgaande functies was hij werkzaam als technisch websitemanager voor meerdere onderwerpspecifieke sites van EE Times, alsmede de hoofd- en analoge redacteur van EDN.

Bij Analog Devices, Inc. (een leidende verkoper van geïntegreerde schakelingen met analoog en gemengd-signaal) hield Bill zich bezig met marketingcommunicatie (public relations). Hierdoor heeft hij beide kanten van een technische pr-functie ervaren, door het introduceren van bedrijfsproducten, verhalen en berichten aan de media en ook als ontvanger daarvan.

Voorafgaand aan zijn marketing- en communicatierol bij Analog was Bill meewerkend redacteur van hun gerespecteerde technische tijdschrift en ook werkzaam op hun afdelingen voor productmarketing en applicatie-engineering. Daarvoor was Bill actief bij Instron Corp. door het werken aan analoge en geïntegreerde schakelingen en de systeemintegratie van materiaaltestende machinebesturingen.

Hij houdt een MSEE (Univ. van Mass.) en BSEE (Columbia-universiteit), staat geregistreerd als professioneel ingenieur en heeft een geavanceerde licentie voor amateurradio. Bill heeft ook online cursussen over vele technische onderwerpen georganiseerd, geschreven en gepresenteerd, waaronder MOSFET-basics, ADC-selectie en led-schakelingen.

Over deze uitgever

De Noord-Amerikaanse redacteurs van Digi-Key