Oblikovalci lahko končno izkoristijo moteče sistemske prednosti SiC tehnologije, da zmanjšajo velikost, šum in okvare pomožnih napajalnih enot (APU) v transportnih vozilih.
Microchip Technology Inc
Avtorja: Kevin Speer, Nitesh Satheesh in Marc Rommerswinkel, Microchip Technology
2021-297-32
Ko elektrifikacija vozil širi potrošniški segment EV, tudi druge oblike prevoza lovijo globalni makrotrend, vključno z železnicami, letali, dostavnimi vozili, terenskimi vozili in ostalimi. Pri vseh oblikah elektrificiranih vozil sta skupna dva sistema za elektrifikacijo: vlečna pogonska enota (TPU), ki zagotavlja pogon vozila; in pomožna napajalna enota (APU), ki napaja vse druge obremenitve na vozilu, od razsvetljave in vrat do klimatskih naprav in električnih vtičnic.
V nasprotju s potrošniškimi električnimi vozili, ki dajejo prednost dosegu na plačilo, imajo lahko drugi primeri uporabe prevoza drugačne prednostne naloge, obravnavane z izboljšavami v APU. Prostor v kabini je na primer primeren za lahke linije, saj prosti prostor omogoča več potnikov, ki plačajo za vožnjo. Zanesljivost je najpomembnejša za rudarska vozila, kjer se čas izpada meri v milijonih dolarjev na dan. V vseh primerih uporabe je udobje potnikov ključnega pomena na trgu, ki ga ponujajo konkurenčni proizvajalci originalne opreme, namenjeni zahtevnim kupcem.
Visoke preklopne izgube silicijevih IGBT-jev so blokirale izboljšave APU pri prevozu. Z omejevanjem frekvence preklapljanja IGBT določajo najmanjšo velikost največjih fizičnih APU komponent, izolacijskega transformatorja in hladilnega telesa. S SiC lahko izolacijski transformator drastično zmanjšamo s prehodom na višje stikalne frekvence. S preklopnimi izgubami, zmanjšanimi za 80% ali več, se hladilna telesa zmanjšajo. Poleg tega lahko stikalne frekvence APU presežejo zvočni obseg in tako odpravijo visoko cviljenje, ki je za potnike mučno. Nazadnje, učinkovitost je bistvenega pomena, ker APU neprekinjeno deluje, pogosto pod majhno obremenitvijo; izgube prevodnosti SiC MOSFET-ov so nižje od konkurenčnih IGBT-jev v pogojih lahke obremenitve.
Je SiC primeren za nalogo?
Robustnost SiC MOSFET-ov v najrazličnejših pogojih je bistvenega pomena za APU-je, ki napajajo tako normalne kot obremenitve v sili. Preveriti je treba: 1) stabilnost oksida vrat MOSFET-a, kar je znano pri SiC-MOSFET-ih; 2) življenjska doba oksida vrat; 3) stabilnost vgrajene diode MOSFET-a; in 4) robustna odpornost, kot sta plazovita robustnost in preživetje kratkega stika.
Integriteta oksidne plasti vrat
Če bi se prag napetosti premaknil, se zmogljivost naprave spremeni (npr. povečana upornost v stanju vklopa), kar vodi do nenavadnega vedenja sistema in možne okvare APU. Slika 1 prikazuje, kako Vth podatki za SiC MOSFET-e proizvodnega razreda ne smejo imeti bistvenih sprememb po 1000 urah stresa pri 175 °C.
Življenjsko dobo oksida lahko napovemo s pospeševanjem vzorcev do okvare z uporabo povišane temperature in električnega polja. Aktivacijska energija se črpa za vsak način okvare in Arrheniusova enačba se uporablja za ekstrapolacijo življenjske dobe oksida (glej sliko 2). Proizvodni razred SiC oksidnih MOSFET-ov lahko traja tudi več kot 100 let pod visokim stresom, kar zagotavlja zaupanje v rutinsko in zanesljivo delovanje APU tudi po načrtovani življenjski dobi.
Stabilnost vgrajene diode
Za razliko od IGBT lahko SiC MOSFET prevaja povratni tok s pomočjo vgrajene diode. V nekaterih tranzistorjih ta dioda sčasoma degradira, kar vodi do povečanega RDSon in več toplote od načrtovane. Na sliki 3 so prikazane krivulje I-V vgrajene diode in upornost (RDSon) v stanju vklopljenega MOSFET-a po mnogih urah [1]. Med proizvodi dobaviteljev so opazili velike razlike. Proizvod enega dobavitelja se je opazno poslabšal; drugi je postal neuporaben. Izbrane naprave ne smejo nobenega zaznanega premika. Uporaba SiC MOSFET-a z vgrajeno diodo izboljša zanesljivost in zniža stroške z odpravo antiparalelne diode.
Preživetje na trgu: Kratek stik in plazovitost
APU-ji v sektorju prevoza so dovzetni za različne pogoje napak, ki zahtevajo SiC MOSFET-e, zasnovane za varno delovanje skozi te dogodke in ohranjanje doslednih zmogljivosti pred in po okvarah.
Zmogljivost vzdržljivosti ob kratkem stiku meri zmožnost MOSFET-a, da preživi trenuten kratek stik enosmernega toka na vir-ponor priključkih. MOS kanali so izboljšani, kar omogoča pravilno zasnovani napravi varno razdeljevanje največjih tokov po območju silicija MOSFET-a. Na sliki 4 so prikazani časi vzdržljivosti kratkega stika (SCWT) za SiC MOSFET-e proizvodnega razreda – primer Microchip je med 3 in 14 mikrosekundami, odvisno od napetosti enosmernega toka in uporabljene VGS. To zadostuje za številne komercialno dostopne krmilnike vrat. Napredni krmilnik, kot je opisan v naslednjem poglavju, dodaja inteligenco zaznavanju kratkega stika.
Robustnost plazov je še zahtevnejša: tok bremena se nenadoma preseli v MOSFET, zaradi česar se napetost na ponoru/viru dvigne do okvare. Za razliko od kratkega stika MOS kanali niso izboljšani; plazoviti tok zasiti rob rezine in hitro pripelje napravo do njenih toplotnih omejitev.
Ponavljajoče neomejeno induktivno preklapljanje (R-UIS) se uporablja za oceno robustnosti plazovitosti naprave. Na sliki 5 je prikazana časovno odvisna dielektrična razgradnja (TDDB) za komercialne SiC MOSFET-e pred in po 100.000 ciklih R-UIS. Številni dobavitelji ohranjajo oksidno trdnost, vendar sposobnost, da do štirikrat povečajo žilavost, hkrati pa stabilnost v RDSonu in curljanje vir/ponor [2], krepi sposobnost SiC MOSFET-ov za varno delovanje pri najzahtevnejših pogojih električne prenapetosti.
Preklapljajte hitreje z ohišjem z nizko induktivnostjo
V povezavi z visokimi hitrostmi signalov problematične induktivnosti v močnostnem sistemu povzročajo večje preklopne izgube, prekomerne prenapetosti, neskladne EMI in potencialno okvaro APU. Preventivni ukrepi, ki jih morajo sprejeti oblikovalci za upočasnitev hitrosti MOSFET-ov, se lahko sprašujejo, kaj se je zgodilo s SiC-jevo vrednostjo.
Microchip-ovo SP6LI ohišje z nizko induktivnostjo prikazuje, kako je mogoče rešiti te težave. Ustrezno konfigurirana oblika priključkov v napajalno zanko vstavi manj kot 3 nanoherije parazitske induktivnosti. Interno so bile narejene optimizacije postavitve, da se zagotovi enak čas in razporeditev toka. Toplotne lastnosti je mogoče izboljšati z uporabo keramike iz silicijevega nitrida (na voljo je tudi aluminijev nitrid), med osnovnimi ploščami pa sta tudi baker in AlSiC. Navzven napajalni priključki omogočajo nizkoinduktivno povezavo za enosmerne tokove in optimalno paralelnost v dveh smereh. SP6LI omogoča oblikovalcu, da krmili SiC MOSFET-e s signali višjih hitrosti z največjo učinkovitostjo in zmanjšanimi EMI, krčenjem APU-jev, hkrati pa preprečuje okvare, povezane z EMI.
Krmilnik vrat bodo obdržali APU-je
Učinkovitost in zanesljivost APU-jev je mogoče optimizirati tudi z digitalnimi programabilnimi krmilniki vrat, ki omogočajo natančno uravnavanje prenapetosti in preklopnih izgub. To oblikovalcem APU-jev omogoča, da zmanjšajo stroške in velikost APU z nižje napetostnimi komponentami in manjšimi hladilnimi telesi – in odstranijo ure s spajkanja in uparjanja ustreznih uporov na vratih.
Vpliv razširjenega preklopa je prikazan na sliki 6. Za razliko od običajnega izklopa (levo) se razširjeni izklop začne z vklopno napetostjo 20 V in se za določen čas zadrževanja premakne na uporabniško programiran vmesni nivo, in končno do stanja izključenosti pri -5 V. Učinki so zaradi izredno nizke induktivnosti SP6LI skromni; rezultati so objavljeni drugje in kažejo izrazitejši vpliv [2,3]. Poleg tega se dogodki kratkega stika hitro zaključijo, kar zmanjša napetost in tok za 60% oziroma 10% (slika 7).
Popolna SiC sistemska rešitev
Oblikovalci, ki želijo pridobiti z ocenjevanjem sistema z dvojnim impulzom preko serijske proizvodnje, bodo potrebovali pospešene razvojne komplete, ki bodo vse tri dele združili v celotno sistemsko SiC rešitev za transportne APU-je: robustne napajalne SiC naprave, močnostno ohišje z nizko induktivnostjo in inteligenten gonilnik vrat. Slika 8 prikazuje, kako lahko Microchipovo rešitev uporabite v vezju APU-ja.
Zaključek
Uporaba SiC MOSFET-ov v pomožnih pogonskih enotah za transportna vozila ponuja prednosti v primerjavi s silicijevimi IGBT-ji glede na velikost, težo, učinkovitost in šum APU-ja. Te prednosti pa je mogoče uresničiti le z visoko zanesljivostjo na terenu z uporabo robustnih SiC MOSFET-ov, ohišja z nizko induktivnostjo in dovolj inteligentnim gonilnikom vrat, da prevzame nadzor nad zmogljivostjo SiC. Oblikovalci lahko zdaj rešijo izzive pri načrtovanju APU za prevoze s celotnimi sistemskimi SiC rešitvami, ki hkrati omogočajo zmanjšanje velikosti, šuma in odpovedi na terenu pri transportnih APU-jih.
Viri:
[1] Agarwal, A. and Kang, M., private communication, 2020.
[2] Speer, K., Satheesh, N., Kashyap, A., and Bontemps, S., “Streamlined SiC Development With a Total System Solution,” IEEE Power Electronics Magazine, Vol. 7, No. 4, pp. 28-35, 2020.
[3] Satheesh, N., Robins, C., and Fender, A., “The State of Intelligent SiC MOSFET Gate Drivers,” Bodo’s Power Systems, pp. 30-33, February 2018.
[4] Satheesh, N., “Silicon carbide MOSFETs: Handle with care,” in Proc. Applied Power Electronics Conference (APEC), San Antonio, Texas, USA, 2018.
[5] Hayashiya, H. and Kondo, K., “Recent Trends in Power Electronics Applications as Solutions in Electric Railways,” IEEJ Transactions on Electrical and Electronic Engineering, vol. 15: 632-645, 2020.
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.
