Microchip Technology Inc.
Avtor: Ehab Tarmoom, višji tehnični inženir za aplikacije v poslovni enoti za silicijev karbid
Električni sistemi z napetostjo enosmernega vodila 400 V ali več, ki jih napaja enofazno ali trifazno omrežje ali sistem za shranjevanje energije (ESS), lahko izboljšajo svojo zanesljivost in odpornost z ugodnostmi, ki jih ponuja polprevodniška zaščita vezja.
Pri načrtovanju visokonapetostnega stikala za odklop baterije je treba upoštevati več temeljnih odločitev glede zasnove. Med ključnimi dejavniki so polprevodniška tehnologija, tip naprave, toplotno ohišje, robustnost naprave in upravljanje induktivne energije med prekinitvijo tokokroga. V tem članku bomo obravnavali nekatere konstrukcijske vidike pri izbiri tehnologije močnostnih polprevodnikov in opredelitvi ohišja polprevodnikov za visokonapetostni, visokotokovni odklopnik baterije, pa tudi pomen opredelitve parazitivne induktivnosti sistema in omejitev zaščite pred prenapetostjo.
Prednosti tehnologije polprevodnikov s široko energijsko vrzeljo
Pri izbiri optimalnega polprevodniškega materiala je treba upoštevati več značilnosti. Cilj je stikalo z minimalnim uporom v vklopljenem stanju, minimalnim mirovnim tokom v izklopljenem stanju, sposobnostjo blokiranja visoke napetosti in visoko zmogljivostjo. Slika 1 prikazuje značilnosti polprevodniških materialov za silicij (Si), silicijev karbid (SiC) in galijev nitrid (GaN). Električno prebojno polje SiC in GaN je približno desetkrat večje od silicijevega. To omogoča zasnovo naprav z območjem drsenja, ki je desetkrat tanjše od enakovredne silicijeve naprave, saj je njegova debelina obratno sorazmerna z električnim prebojnim poljem. Poleg tega je upornost območja drsenja obratno sorazmeren s kubom prebojnega polja. To ima za posledico skoraj 1000-krat nižjo upornost območja drsenja. V aplikacijah s fizičnimi stikali, kjer so vse izgube prevodne izgube, je visoko električno polje preboja pomembna prednost. Ta zmanjšana upornost odpravlja tudi skrbi glede dinamičnih težav z zaskočitvijo, kjer lahko visoki prehodni tokovi dV/dt sprožijo parazitski NPN tranzistor ali tiristor v silicijevih močnostnih MOSFET-ih oziroma IGBT-jih.
Toplotna prevodnost silicijevega karbida, ki je trikrat večja od toplotne prevodnosti Si in GaN, znatno izboljša sposobnost odvajanja toplote iz čipa, kar omogoča njegovo hladnejše delovanje in poenostavi toplotno zasnovo. Alternativno omogoča za enako ciljno temperaturo spojev delovanje z višjim tokom. Višja toplotna prevodnost v kombinaciji z visokim električnim poljem preboja povzroči nizko upornost v vklopljenem stanju, kar dodatno poenostavi toplotno zasnovo.
Silicijev karbid, polprevodniški material s široko energijsko vrzeljo (WBG), ima energijsko vrzel, ki je skoraj trikrat večja od silicijeve, kar omogoča delovanje pri višjih temperaturah. Polprevodnik pri višjih temperaturah preneha delovati kot polprevodnik. Širša energijska vrzel omogoča silicijevemu karbidu delovanje pri več sto stopinjah Celzija višji temperaturi kot silicij, saj je koncentracija prostih nosilcev naboja nižja. Vendar pa drugi dejavniki (npr. ohišje, uhajanje oksida na vratih), ki temeljijo na današnji tehnologiji, omejujejo najvišjo neprekinjeno temperaturo spojev naprave na 175 °C. Druga prednost tehnologije WBG je, da zagotavlja nižji mirovni tok v izklopljenem stanju.
Glede na te lastnosti je silicijev karbid optimalen polprevodniški material za to uporabo.
Razen med vrstami tranzistorjev IGBT, MOSFET in JFET
Naslednji pomemben dejavnik je tip tranzistorja. V večini primerov je največji izziv pri zasnovi izguba prevodnosti. Izgubo prevodnosti je treba zmanjšati na minimum, da se izpolnijo toplotne zahteve sistema. V nekaterih sistemih je na voljo tekoče hlajenje, drugi sistemi pa lahko uporabljajo prisilno hlajenje z zrakom ali naravno konvekcijo. Poleg minimalne izgube prevodnosti je treba tudi padec napetosti ohraniti na minimumu, da se doseže največja učinkovitost v vseh delovnih točkah, vključno z razmerami z majhno obremenitvijo. To je še posebej pomembno v sistemih, ki jih poganja baterija. Drugi pomemben dejavnik v mnogih sistemih, vključno z enosmernimi sistemi, je dvosmerni tok. Na splošno je zaželen tranzistor z nizko izgubo prevajanja, nizkim padcem napetosti in zmožnostjo povratnega prevajanja. Običajno se upoštevajo IGBT, MOSFET in JFET tranzistorji.
Medtem ko IGBT ponuja primerljivo prevodno izgubo kot MOSFET pri največjih tokovih obremenitve, se učinkovitost rešitve na osnovi IGBT zmanjša, ko se tok obremenitve zmanjša. To je zato, ker padec napetosti sestavljata dve komponenti: skoraj konstanten padec napetosti, ki je neodvisen od toka kolektorja, in padec napetosti, ki je sorazmeren s tokom kolektorja. Pri MOSFET je padec napetosti sorazmeren s tokom ponora. To omogoča visoko učinkovitost v vseh delovnih točkah, vključno z lahkimi obremenitvami. MOSFET omogoča prevajanje kanala v prvem in tretjem kvadrantu, kar pomeni, da lahko tok teče skozi napravo v naprej in nazaj.
Dodatna prednost delovanja MOSFET-a v tretjem kvadrantu je, da ima na splošno nekoliko nižjo upornost v vklopljenem stanju kot v prvem kvadrantu. IGBT prevaja tok le v prvem kvadrantu, za prevajanje povratnega toka pa je potrebna antiparalelna dioda. JFET, starejša tehnologija, ki pa ponovno pridobiva na popularnosti, deluje tako v direktnem kot v reverznem prevajanju in ima, podobno kot MOSFET, padec napetosti, ki je sorazmeren s tokom ponora. Razlikuje se od MOSFET-a v tem, da je naprava v deplezivnem načinu. To pomeni, da je JFET običajno vklopljen in zahteva prednapetost vrat, da se zavira tok. To predstavlja praktične izzive za razvijalce pri upoštevanju napak v sistemu. Kot rešitev se lahko uporabi kaskadna konfiguracija, ki vključuje serijski nizkonapetostni silicijev MOSFET, da se doseže naprava, ki je običajno izklopljena. Dodajanje serijske silicijeve naprave poveča kompleksnost, kar zmanjša nekatere prednosti JFET v aplikacijah z visokim tokom. SiC MOSFET, ki je običajno izklopljen, ponuja nizko upornost in nadzorljivost, ki sta potrebni v mnogih sistemih.
Termično ohišje
SiC močnostni moduli omogočajo visoko stopnjo optimizacije sistema, kar je težko doseči z vzporednim povezovanjem diskretičnih MOSFET-ov. Moduli mSiC™ podjetja Microchip so na voljo v širokem razponu konfiguracij ter nazivnih napetosti in tokov. Med njimi je tudi konfiguracija s skupnim virom, ki povezuje dva SiC MOSFET-a v antiserijski konfiguraciji, da omogoča dvosmerno blokiranje napetosti in toka. Vsak MOSFET je sestavljen iz več čipov, povezanih vzporedno, da se doseže nazivni tok in nizka upornost v vklopljenem stanju. Za enosmerno stikalo za odklop baterije potrebujemo dva MOSFET-a zunanje vzporedno povezana z močnostnim modulom.
Za ohranjanje nizke temperature čipov sta potrebna nizka upornost v vklopljenem stanju in nizka toplotna upornost. Materiali, uporabljeni v modulu, so bistveni elementi, ki določajo toplotno upornost od spojev do ohišja, pa tudi njegovo zanesljivost. Zlasti lastnosti materialov za pritrditev čipa, podlage in osnovne plošče pomembno vplivajo na toplotno upornost modula. Izbor materialov z visoko toplotno prevodnostjo pomaga zmanjšati toplotno upornost in temperaturo spojev. Poleg toplotne učinkovitosti izbira materialov s podobnim koeficientom toplotnega raztezanja (CTE) podaljša življenjsko dobo modula, saj zmanjša toplotno obremenitev na stiku in v notranjosti materialov. Tabela 1 povzema te toplotne lastnosti. Substrati iz aluminijevega nitrida (AlN) in osnovne plošče iz bakra (Cu) so standardni v mSiC-modulih moči. Možnosti s podlagami iz silicijevega nitrida (Si3N4) in osnovnimi ploščami iz aluminijevega silicijevega karbida (AlSiC) zagotavljajo večjo zanesljivost. Na sliki 2 so prikazani močnostni moduli s skupnim virom v standardnih ohišjih SP3F in SP6C ter visoko zanesljivi moduli brez osnovne plošče BL1 in BL3, ki so skladni s standardom DO-160.
Robustnost naprave in induktivnost sistema
Poleg toplotne zmogljivosti modula in dolgoročne zanesljivosti je pri napravah za prekinitev tokokroga pomemben tudi dejavnik visoke induktivne energije. Releji in kontaktorji imajo omejeno število ciklov. Običajno so določeni z neobremenjenimi mehanskimi preklopnimi cikli in znatno manj električno obremenjenimi preklopnimi cikli. Induktivnost v sistemu povzroča iskrenje med kontakti, kar povzroča degradacijo pri prekinitvi toka. Zato so pogoji delovanja električnih ciklov posebej opredeljeni in močno vplivajo na njihovo življenjsko dobo. Tudi v tem primeru so v sistemih s kontaktorji ali releji potrebne prednje varovalke, saj se kontakti lahko zvarijo, če so izpostavljeni visokim kratkostičnim tokovom. Polprevodniški odklopniki baterij ne trpijo zaradi te degradacije, kar omogoča večjo zanesljivost sistema. Kljub temu je razumevanje parazitske in obremenitvene induktivnosti ter kapacitivnosti sistema bistveno tudi za upravljanje induktivne energije, ki je prisotna pri prekinjanju visokih tokov.
Induktivna energija je sorazmerna z induktivnostjo in kvadratom toka v sistemu v trenutku prekinitve. Kratki stik na izhodnih priključkih stikala povzroči hitro povečanje toka, ki narašča s hitrostjo, ki je enaka razmerju med napetostjo akumulatorja in induktivnostjo vira. Na primer, napetost vodila 800 V z induktivnostjo vira 5 mikrohenryjev povzroči povečanje toka s hitrostjo 160 amperov na mikrosekundo. 5-mikrosekundni odzivni čas za zaznavanje in odziv bo povzročil dodatni tok 800 amperov v vezju. Ker ni priporočljivo, da se SiC-močnostni modul uporablja v lavinskem načinu, je za zaščito modula potrebno snubber vezje, ki absorbira to induktivno energijo. Vendar pa parazitivni pojavi, ki se pojavijo v snubber vezju, če je pravilno zasnovano, da izpolnjuje zahteve glede izolacijske razdalje in prostora, dodatno omejujejo njegovo učinkovitost. Zato mora stikalo izklopiti dovolj počasi, da omeji preobremenitev napetosti zaradi notranje induktivnosti modula in nenadnega zmanjšanja toka. Modul, zasnovan z nizko induktivnostjo, pomaga dodatno zmanjšati to napetostno obremenitev.
V silicijevih napajalnih napravah hitro prekinitev visokega toka predstavlja tveganje za sprožitev parazitnega NPN ali tiristorja, kar povzroči nekontrolirano zaskočitev in končno okvaro. Na SiC napravah lahko zelo hiter izklop povzroči nizkoenergetski lavinski preboj v vsakem čipu, ko se izklopi, dokler snubber ali omejevalnik ne absorbira visoke energije. MOSFET-i mSiC podjetja Microchip so zasnovani in testirani za robustnost „Unclamped Inductive Switching“ (UIS), kar zagotavlja dodatno varnostno rezervo, ko se snubber ali omejevalnik začneta slabšati. Slika 3 prikazuje enostavno in ponavljajoče se delovanje UIS v primerjavi z drugimi SiC napravami na trgu.
Čeprav je treba razumeti zmogljivost kratkega stika na ravni naprave in IGBT-ji imajo v primerjavi z MOSFET-i boljšo zmogljivost kratkega stika na ravni naprave, je v dejanskem sistemu izpostavljen različnim obremenitvenim pogojem. Zaradi inherentnega omejevanja toka induktivnosti sistema je malo verjetno, da bo modul dosegel svojo nazivno vrednost kratkega stika. Omejevalni dejavnik je zasnova snubberja ali omejevalnika. Za zasnovo stroškovno učinkovitega in kompaktnega snubberja bo dovoljeni sistemski konični kratkostični tok omejen na vrednost, ki je precej nižja od kratkostičnega toka modula. Na primer, v 500-amperskem odklopnem stikalu za baterijo, ki je sestavljeno iz devetih vzporednih čipov in je zasnovano tako, da preprečuje kratkostične tokove, ki presegajo 1350 amperov, vsak čip prevaja tok 150 amperov, ob predpostavki enakomerne porazdelitve toka. To je precej nižji tok kot v preskusu kratkega stika na ravni naprave, v katerem tok med trajanjem preskusa presega več sto amperov. Optimizacija naprave za omejevanje napetosti je ključni del pri zasnovi robustnega odklopnika baterije v trdnem stanju.
Drugi vidiki razvoja
Poleg napajalne naprave obstajajo tudi zasnovne zahteve v zvezi z elektronskim krmiljenjem, vključno s tehnologijo zaznavanja toka, zaznavanjem in zaščito pred prenapetostjo ter funkcionalno varnostjo. Odločitev, ali za zaznavanje toka uporabiti shunt upor ali magnetno tehnologijo, je pomembna za zasnovo sistema z nizko parazitno induktivnostjo, kjer je bistven hiter odzivni čas. Pomembna odločitev je tudi, ali za zaznavanje prenapetosti uporabiti strojno opremo, programsko opremo ali kombinacijo obeh, zlasti pri zasnovi, ki mora izpolnjevati zahteve funkcionalne varnosti.
V povzetku so bili obravnavani nekateri ključni vidiki izbire in zasnove visokonapetostne napajalne naprave v polprevodniškem odklopnem stikalu za baterije. Prednosti silicijevega karbida in ohišja močnostnih polprevodnikov so ključni dejavniki, ki omogočajo sistemske prednosti, ki jih polprevodniški odklopnik ponuja v primerjavi s tradicionalnim mehanskim odklopnikom. Z uporabo tehnologije silicijevega karbida so zdaj na voljo naprave z nizko upornostjo v vklopljenem stanju in toplotno upornostjo, ki omogočajo nizke izgube prevajanja, potrebne v mnogih sistemih, hkrati pa uporabljajo materiale, ki zagotavljajo visoko zanesljivost.
Opomba: Ime in logotip Microchip sta registrirani blagovni znamki podjetja Microchip Technology Incorporated v ZDA in drugih državah. Vse druge blagovne znamke, ki so morda tu omenjene, so last njihovih podjetij.
