EUR | USD

SiC- en GaN-voedingscomponenten gebruiken om aan de ontwerpvereisten van elektrische voertuigen tegemoet te komen

By Murray Slovick

Contributed By De Noord-Amerikaanse redacteurs van Digi-Key

Autofabrikanten houden zich in toenemende mate bezig met de ontwikkeling van elektrische voertuigen (EV's), maar de beperkte rijautonomie van deze voertuigen blijft een probleem. Een aerodynamisch ontwerp, lichtere materialen en een efficiënter stroomverbruik helpen wel iets, maar niet genoeg. Ontwerpers van vermogenselektronica voor de automotive branche moeten geavanceerde wide bandgap-materialen (WBG) gebruiken om aan de vereisten ten aanzien van efficiëntie en vermogensdichtheid te voldoen.

Dergelijke materialen, op de eerste plaats galliumnitride (GaN) en siliciumcarbide (SiC), betekenen een verbetering ten opzichte van bestaande halfgeleidertechnologieën als silicium (Si) metaaloxide-halfgeleider-veldeffecttransistor (MOSFET's) en bipolaire transistors met geïsoleerde poort (IGBT's) doordat ze lagere verliezen, hogere schakelfrequenties, een hogere bedrijfstemperatuur, stabiliteit in zware omgevingen en hoge doorslagspanningen bieden. Aangezien binnen de industrie een tendens te zien is in de richting van batterijen met hogere capaciteit, die op hogere spanningen werken, met kortere laadtijd en lagere totale verliezen, is het gebruik van dergelijke materialen bijzonder zinvol.

Dit artikel geeft een kort overzicht van WBG-technologie en de rol hiervan in EV-elektronica in de automotive branche. Vervolgens worden geschikte GaN- en SiC-oplossingen van ROHM Semiconductor, STMicroelectronics, Transphorm en Infineon Technologies geïntroduceerd, samen met een aantal richtlijnen voor de toepassing ervan.

De voordelen van WBG-halfgeleiders

Om de kennis even op te frissen, een 'bandgap', oftewel bandkloof, is de energie die nodig is om elektronen uit de valentieband van een materiaal naar de geleidingsband te bekrachtigen, en WBG-materialen hebben bandgaps die aanzienlijk groter zijn dan die van silicium (Afbeelding 1). Waar Si een bandgap van 1,1 elektron-volt (eV) heeft, biedt SiC een bandgap van 3,3 eV en GaN een bandgap van 3,4 eV.

Schema van Si-halfgeleiders met een bandgap tussen de geleidings- en valentieband

Afbeelding 1: Si-halfgeleiders hebben een bandgap tussen de geleidings- en valentieband die smaller is dan die van SiC en GaN, waardoor de twee laatste typen de naam “wide bandgap-halfgeleider” hebben gekregen. (Bron afbeelding: STMicroelectronics)

WBG-halfgeleiders stellen apparaten in staat om op veel hogere spanningen, frequenties en temperaturen te werken dan conventioneel silicium. Bovendien zijn de schakel- en geleidingsverliezen lager. WBG-materialen hebben ruwweg tien keer betere geleidings- en schakeleigenschappen dan Si. Door deze eigenschappen is de WBG-technologie van nature geschikt voor vermogenselektronica, met name voor gebruik in EV's, omdat SiC- en GaN-componenten kleiner gemaakt kunnen worden, sneller kunnen werken en efficiënter zijn.

De voordelen van WBG-apparaten moeten worden afgewogen tegen het meer complexe fabricageproces en de hogere kosten voor massaproductie. Hoewel WBG-componenten in eerste instantie duurder kunnen zijn, blijven hun kosten dalen en zullen ze in het algemeen besparingen in de systeemkosten opleveren. Het gebruik van SiC-apparatuur in een EV kan bijvoorbeeld enkele honderden dollars aan extra aanschafkosten opleveren, maar resulteert uiteindelijk in een algemene kostenbesparing dankzij de lagere kosten voor de batterijen, de beperktere ruimtevereisten en eenvoudigere koelingsmaatregelen, zoals kleinere koellichamen of convectiekoeling.

SiC voor de hoofdomzetter

De tractie-omzetter, die de elektrische aandrijfmotor in EV's aanstuurt, is een voorbeeld van een belangrijk systeem in elektrische voertuigen dat profijt kan hebben van WBG-componenten. De voornaamste functie van de omzetter is om een DC-spanning om te zetten in een driefase AC-golfvorm om de motor van het elektrische voertuig aan te sturen, en de door regeneratief remmen ontwikkelde AC-spanning vervolgens terug om te zetten in een DC-spanning om de accu op te laden. De omzetter zet de energie, die is opgeslagen in de accu, om in AC om de elektromotor aan te drijven, dus hoe lager de verliezen in die energieomzetting, des te efficiënter het systeem. Het verbeterde geleidingsvermogen en de snellere schakelfrequentie van SiC-apparaten in vergelijking met silicium beperken het vermogensverlies, aangezien er minder energie verloren gaat als hitte. Uiteindelijk zal de hogere efficiëntie van op SiC gebaseerde omzetters zich vertalen in een hogere kilometerstand van elektrische voertuigen.

Voedingsmodules die grote stroomwaarden hanteren zijn gewoonlijk van het IGBT-type, dat Si IGBT's combineert met Si FRD's (snel herstellende diodes), een configuratie die gewoonlijk wordt gebruikt in invertermodules voor automotive toepassingen. SiC biedt echter hogere bedrijfstemperaturen en hogere schakelsnelheden dan de bestaande Si IGBT-systemen. Deze eigenschappen zijn optimaal voor tractie-inverters gezien hun kritieke behoefte om grote pakketten energie van en naar de accu over te brengen.

En we zullen je vertellen waarom: aangezien de IGBT een schakelelement is, is de schakelsnelheid (inschakeltijd, uitschakeltijd) een van de belangrijkste parameters die van invloed zijn op de efficiëntie (verlies). Met IGBT's wordt een lage weerstand bij hoge doorslagspanning verkregen, ten koste van de schakelprestaties; tijdens het uitschakelen van het apparaat is er "dissipatietijd", waardoor het schakelverlies toeneemt. Het resultaat is dat IGBT's een relatief lage efficiëntie hebben. Als er in invertermodules MOSFET's worden gebruikt in plaats van IGBT's, kan dankzij hun kortere uitschakeltijd en hogere bedrijfsfrequentie een hogere efficiëntie worden verkregen. Maar Si MOSFET's vertonen ook problemen; ze hebben een grote "aan" -weerstand in vergelijking met Si IGBT's.

Profiterend van de gunstige eigenschappen van SiC, kunnen SiC MOSFET's, met bijna de helft van de grootte van het oppervlak van het microplaatje vergeleken met IGBT's, vier wenselijke kenmerken van een stroomschakelaar combineren:

  • Hoge spanning
  • Lage 'aan'-weerstand
  • Snelle schakelsnelheid
  • Lage schakelverliezen (met name uitschakelverliezen)

De bredere bandgap betekent ook dat SiC-apparaten normaal kunnen werken bij temperaturen tussen 150°C en 175°C, en in het juiste pakket, van 200°C of hoger.

Voor wat SiC Schottky-barrièrediodes (SBD's) betreft, in een SiC SBD wordt een metalen junctie met de SiC-halfgeleider gevormd om een Schottky-barrière te verkrijgen. Maar anders dan bij silicium FRD's, worden de voordelen niet noemenswaardig aangetast over brede stroom- en bedrijfstemperatuurbereiken. Een SiC-onderdeel heeft ook een diëlektrisch doorslagveld dat zo'n tien keer hoger is dan dat van silicium Vandaar de massaproductie van SiC-producten met een nominale spanning van 1200 volt, waardoor de kosten dienovereenkomstig dalen. Bovendien worden momenteel ook producten met een nominale spanning van 1700 volt ontwikkeld.

Ook vertonen SiC-diodes geen voorwaartse en achterwaartse herstelverliezen, slechts een kleine mate van capaciteitsladingsverliezen. Studies hebben uitgewezen dat de schakelverliezen 90% lager kunnen zijn met SiC SBD's ten opzicht van Si snelherstellende diodes, waarbij de junctietemperatuur invloed uitoefent op de herstelstroom en hersteltijd. Het resultaat is dat SiC-diodes een aanzienlijk prestatiegetal (figure of merit - FoM) (Qc x Vf) hebben in vergelijking met Si-diodes. Een lagere FOM impliceert lagere vermogensverliezen en dus een betere elektrische performance.

Er zijn ook enkele nadelen verbonden aan siliciumcarbidemateriaal. Een daarvan is een positieve thermische coëfficiënt, oftewel hoe hoger de temperatuur, hoe hoger de doorlaatspanning (Vf). Als de stroom door de diode toeneemt, neemt de daling van de doorlaatspanning ook toe. Dit geleidingsverlies kan leiden tot thermische afwijkingen wanneer er hoge stromen op de diode komen te staan.

Bij elkaar genomen stellen SiC MOSFETS en SBD's systeemontwerpers echter in staat om de efficiëntie te verbeteren, een minder groot en duur koellichaam te gebruiken, de schakelfrequentie te verhogen om magnetisme te verminderen en de kosten, de afmetingen en het gewicht van het uiteindelijke ontwerp te beperken. Een EV-omzetter die SiC's gebruikt kan 5x kleiner en 3x lichter worden gemaakt en 50% minder vermogensverlies hebben dan een op Si gebaseerd equivalent.

ROHM Semiconductor heeft bijvoorbeeld de BSM300D12P2E001 half-bridge SiC voedingsmodules ontwikkeld die SiC MOSFET's met SiC SBD's in een enkel pakket integreren, waardoor het eerder door IGBT-staartstroom veroorzaakte schakelverlies en FRD-herstelverlies tot het minimum worden beperkt (Afbeelding 2).

Grafiek van SiC-voedingsmodule die SiC MOSFET's en SBD's integreert in vergelijking met een IGBT-module

Afbeelding 2: een volledige SiC-voedingsmodule die SiC MOSFET's en SBD's integreert maakt lagere verliezen mogelijk in vergelijking met een IGBT-module, ook gedurende snel schakelen. (Bron afbeelding: ROHM Semiconductor)

Voor de op SiC gebaseerde MOSFET's van ROHM Semiconductor wordt een afname van 73% van de verliezen opgegeven ten opzichte van IGBT's. Hun reeks van MOSFET's kunnen tot 1700 volt hanteren met een 'aan'-weerstand van 45 milliohm (mΩ) tot 1150 mΩ. Ze worden geleverd in TO-247N-, TO-3PFM-, TO-268-L- en TO-220-pakketten.

ROHM produceert ook AEC-Q101 voor de automotive branche gekwalificeerde SiC Schottky-barrièrediodes die korte hersteltijden hebben, in staat zijn om op hoge snelheden te schakelen, weinig invloed van de temperatuur gaan, een lage doorlaatspanning hebben en tot 650 volt aankunnen bij stroomwaarden tussen 6 en 20 ampère (A).

De rol van SiC-apparaten in EV's

Tesla was de eerste fabrikant van elektrische auto's die een volledige SiC-voedingsmodule heeft gebruikt voor de hoofdomzetter (in de Tesla model 3 sedan). Eerdere auto's van Tesla, model S en model X, gebruikten IGBT's in TO-247-pakketten. De omzetter van Tesla vloeit voort uit een samenwerking met STMicroelectronics en bestaat uit SiC-voedingsmodules die op een koellichaam geassembleerd zijn.1 De MOSFETS hebben, net als de SCT10N120 een nominale spanning van 650 volt en thermische dissipatie door middel van koperen grondplaten.

Het laadapparaat voor EV's wordt af-fabriek gemonteerd en wordt de “on-board charger” (OBC) genoemd. In een EV of plug-in hybride EV (PHEV) zorgt de OBC ervoor dat de accu kan worden opgeladen via de netstroom, thuis of via aansluitingen in particuliere of openbare oplaadstations. De OBC gebruikt AC/DC-omzetters om 50/60 Hertz (Hz) AC-spanning (100 tot 240 volt) om te zetten in DC-spanning om de hoogspanningsaccu van de tractie (gewoonlijk rond de 400 volt DC) op te laden. Ook past hij de DC-niveaus aan de vereisten van de accu aan, zorgt hij voor galvanische isolatie en bevat hij AC/DC-vermogensfactorcorrectie (PFC) (Afbeelding 3).

Schema van typische EV OBC, in het PFC-stadium kunnen SiC-diodes worden gebruikt

Afbeelding 3: in een typische EV OBC, kunnen SiC-diodes worden gebruikt, bijvoorbeeld in het PFC-stadium als boostdiode of parallel aan N-kanaal IGBT's in een totempaaltopologie. (Bron afbeelding: Infineon Technologies)

GaN wint terrein dankzij hoge efficiëntie

Een ontwerpvereiste voor OBC's is dat de hoogst mogelijke efficiëntie en betrouwbaarheid moeten worden verkregen om snelle laadtijden te verzekeren. Daarnaast moet ook aan de vereisten ten aanzien van beperkte ruimte-inname en laag gewicht van de EV-fabrikant worden voldaan. OBC-ontwerpen die gebruik maken van GaN-technologie kunnen de koelsystemen van elektrische voertuigen vereenvoudigen en de laadtijden en vermogensverliezen verminderen. Commerciële GaN-voedingsapparaten blijven enigszins achter op SiC voor wat het marktaandeel in de automobielindustrie betreft, maar zij vertonen indrukwekkende prestaties en winnen momenteel zeer snel terrein. Net als SiC-apparaten bieden GaN-apparaten lagere schakelverliezen, snellere schakelprestaties, een hogere vermogensdichtheid en maken ze een algehele reductie van systeemgrootte, gewicht en kosten mogelijk.

De TP65H035WSQA van Transphorm is bijvoorbeeld een voor de automotive sector bestemde GaN FET met AEC-Q101-kwalificatie die tot 175°C bleef presteren gedurende de kwalificatietests (Afbeelding 4). Het apparaat heeft een typische 'aan'-weerstand van 35 mΩ in een standaard TO-247-pakket. Net als zijn voorganger, de 49 mΩ Gen II TPH3205WSBQA, is het apparaat voor AC/DC OBC's, DC/DC-omzetters en DC/AC-omzettersystemen voor plug-in hybride elektrische voertuigen en op accu's werkende EV's, waarvoor hij AC/DC bridgeless totempaal-PFC-ontwerpen mogelijk maakt.

Afbeelding van de TPH3205WSBQA 650 volt, 49 mΩ GaN FET van Transphorm

Afbeelding 4: de TPH3205WSBQA 650 volt, 49 mΩ GaN FET van Transphorm is gekwalificeerd voor de automotive sector aangezien hij door de AEC-Q101 stress tests voor discrete halfgeleiders voor de automobielindustrie is gekomen. (Bron afbeelding: Transphorm)

Terwijl een typische Si MOSFET een maximale dV/dt waarde van 50 volt/nanoseconde (ns) heeft, zal de TP65H035WS GaN FET op dV/dt van 100 volt/ns of hoger schakelen om de laagst mogelijke schakelverliezen te verkrijgen. Op dit werkingsniveau speelt ook de lay-out een belangrijke rol bij het verkrijgen van de gewenste prestaties. De aanbevolen lay-out houdt een minimale gate-aandrijflus en houdt de sporen tussen de schakelknopen zeer kort, met het kortste retourspoor dat praktisch haalbaar is naar de vermogensbus en aarde. Het aardingsvlak van de voeding biedt een oppervlak met grote dwarsdoorsnede om een gelijkmatig aardpotentiaal door het hele circuit te verkrijgen. De lay-out scheidt de aarding van de voeding en de aarde van de IC (klein signaal), en verbindt deze pas op de bronpin van de FET om iedere kans op massalussen te vermijden.

De AIDW20S65C5XKSA1 van Infineon, mede ontwikkeld voor OBC-toepassingen in hybride en elektrische voertuigen, deel van de vijfde generatie van CoolSiC automotive Schottky-diodes van het bedrijf, maakt de IGBT- en CoolMOS-portfolio van het bedrijf compleet en voldoet aan de vereisten voor automotive toepassingen in de 650 volt-klasse.

Dankzij een nieuw passiveringslaagconcept is dit een van de meest stabiele apparaten op de markt voor wat betreft de vocht- en corrosiebestendigheid. Aangezien het op een technologie met 110 micrometer (µm) dunne wafels is gebaseerd, heeft het ook een van de beste FOM's van zijn categorie, met lagere vermogensverliezen en dus betere elektrische prestaties als resultaat.

In vergelijking met de traditionele Si FRD, verbetert de CoolSiC Automotive Schottky-diode van Infineon de efficiëntie van een OBC met één procentpunt onder van alle belastingscondities.

SiC- en GaN-apparaten gebruiken

Naast de zorg die aan de lay-out moet worden besteed, zoals eerder gezegd, wordt een mogelijk probleem met SiC-onderdelen gevormd door hun aansturingsvereisten, die sterk verschillen van die van IGBT-apparaten. Terwijl de meeste transistors gewoonlijk aansturingsvereisten hebben die symmetrische rails vragen (zoals ± 5 volt), hebben SiC-apparaten een kleine negatieve spanning nodig om ervoor te zorgen dat ze volledig uitgeschakeld zijn, en daarom hebben ze rails nodig die asymmetrisch zijn (bijv. -1 volt tot -20 volt).

Hoewel SiC superieure thermische eigenschappen heeft en in staat is om grote hoeveelheden thermische energie te geleiden in vergelijking met silicium, kunnen SiC-onderdelen worden gehuisvest met behulp van voor Si ontworpen en gebruikte packaging-methoden, zoals microplaatverbinding en draadverbinding. Hoewel deze methode goed kan werken met SiC, is hij alleen praktisch haalbaar voor laagfrequente circuits (tientallen kHz). Zodra er hoge frequenties worden gebruikt, worden de parasitaire capaciteit en inductantie te groot, waardoor een op SiC gebaseerd apparaat zijn volle potentieel niet kan realiseren.

Om GaN-apparaten op hun volle potentieel te kunnen gebruiken, moet de packaging zowel een zeer lage parasitaire inductie als een hoge thermische prestatie hebben. Nieuwe benaderingen van de packaging, zoals het inbedden van microplaatjes in pakketten die vergelijkbaar zijn met een meerlagige printplaat hebben het vereiste resultaat bereikt tegen lage kosten, en elimineren tegelijkertijd ook draadverbindingen, die zo hun eigen problemen ten aanzien van de betrouwbaarheid van apparaten met zich meebrengen.

Een sleutelelement, dat als een interface tussen de controller en de voedingsmodule werkt, is de gate driver. Het ontwerp van de gate driver is altijd een probleem voor eletronica-ontwerpers die nieuwe apparaten toepassen en het is belangrijk om te begrijpen hoe SiC- en GaN-voedingsapparaten moeten worden aangestuurd. Vereisten zijn:

  • Een hoge voedingsspanning, om een hoge efficiëntie te realiseren door lage geleidingsverliezen.
  • Een hoge drive-sterkte om lage schakelverliezen te realiseren
  • Snelle kortsluitbeveiliging
  • Kleinere propagatievertraging en -variatie, voor hoge efficiëntie en snelle systeembesturing
  • Hoge dv/dt immuniteit

Sommige oudere GaN-apparaten hadden speciale drivers nodig om poort-overspanning te voorkomen. Tegenwoordig zijn er E-HEMT's van de nieuwe generatie met brede Vg-tolerantie beschikbaar, die door veel standaard MOSFET-drivers kunnen worden aangestuurd, eenvoudigweg door de gate-toevoerspanning te veranderen. GaN FET's zijn laterale apparaten en vereisen dus een relatief lage optimale stuurspanning. Globaal gesproken hebben GaN-apparaten dus vergelijkbare gate driver-vereisten voor Si MOSFET's en IGBT's. Vereisten zijn onder meer:

  • Kleinere gate-lading – lager stuurverlies, snellere stijg- en afvaltijd
  • Lagere gate-spanning
  • Negatieve spanning om de stabiliteit van de gate drive te verbeteren
  • Regeling van de slew rate met behulp van een gate-weerstand

Het voordeel is dat veel aanbieders van SiC- en GaN-oplossingen de extra elektronica in het pakket meeleveren, zodat het drop-in-vervangingen voor bestaande ontwerpen kunnen zijn.

Conclusie

Om aan de vereisten ten aanzien van de efficiëntie en de vermogensdichtheid van EV-systemen zoals omzetters en laders aan boord (OBC's) te voldoen, kunnen ontwerpers van elektronica voor automotive voedingsmodules nu hun voordeel doen met meer geavanceerde WBG-halfgeleiders zoals SiC en GaN. Deze bieden lage verliezen, hogere schakelfrequenties, hogere bedrijfstemperaturen, stabiliteit in zware werkomgevingen en hoge doorslagspanningen in vergelijking met traditionele siliciumapparaten.

GaN en SiC kunnen bij hogere temperaturen werken met een vergelijkbare verwachte levensduur of op dezelfde temperaturen als Si-apparaten met een langere levensduur. Hierdoor beschikt de ontwerper over verschillende ontwerpmogelijkheden, afhankelijk van de toepassingsvereisten.

Door gebruik te maken van WBG-materialen kunnen ontwerpers kiezen uit meerdere strategieën om hun ontwerpdoelen te realiseren: dezelfde schakelfrequentie gebruiken en het uitgangsvermogen verhogen; dezelfde schakelfrequentie gebruiken en de hoeveelheid door het systeem vereiste koeling verlagen, waardoor op de totale kosten wordt bespaard; of de schakelfrequentie verhogen terwijl dezelfde vermogensverliezen in de schakelaar worden behouden.

Verwijzingen

  1. Tesla Model 3 omzetter met SiC voedingsmodule van STMicroelectronics, compleet demontagerapport” (Research And Markets).

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

Murray Slovick

Over deze uitgever

De Noord-Amerikaanse redacteurs van Digi-Key