Projektowanie tranzystorów SiC MOSFET w celu poprawy sprawności przemienników trakcyjnych w pojazdach elektrycznych

Inżynierowie muszą osiągnąć kompromis pomiędzy osiągami i zasięgiem nowoczesnych pojazdów elektrycznych. Dynamiczniejsze przyspieszanie i wyższe prędkości podróżne wymagają częstszych i bardziej czasochłonnych postojów na doładowanie. Większy zasięg jest z kolei możliwy kosztem mniej dynamicznej jazdy. Aby zwiększyć zasięg, a jednocześnie zaoferować kierowcom wyższe osiągi, inżynierowie muszą zaprojektować układy napędowe, które zapewnią przekazanie jak największej ilości energii z akumulatorów do napędzanych kół. Równie ważna jest potrzeba utrzymania na tyle małych rozmiarów układu napędowego, aby mieścił się w pojeździe. Te dwojakie potrzeby wymagają komponentów o zarówno wysokiej sprawności, jak i wysokiej gęstości energii.

Kluczowym elementem w układzie napędowym pojazdu elektrycznego jest trójfazowy przemiennik źródła napięciowego (czyli „przemiennik trakcyjny”), który przekształca napięcie prądu stałego z akumulatorów w napięcie prądu zmiennego wymagane przez silnik lub silniki elektryczne pojazdu. Zbudowanie wydajnego przemiennika trakcyjnego ma kluczowe znaczenie dla znalezienia kompromisu między parametrami działania i zasięgiem, a jedną z kluczowych dróg do poprawy sprawności jest właściwe wykorzystanie urządzeń półprzewodnikowych o szerokiej przerwie energetycznej (WBG) wykonanych z węgliku krzemu (SiC).

W tym artykule opisano rolę przemiennika trakcyjnego w pojeździe elektrycznym. Następnie wyjaśniono, w jaki sposób zastosowanie tranzystorów polowych metalowo-półprzewodnikowych (MOSFET) wykonanych w technologii SiC może zapewnić sprawniejszy układ napędowy pojazdu elektrycznego niż układ wykorzystujący tranzystory bipolarne z izolowaną bramką (IGBT). Artykuł kończy się przykładem przemiennika trakcyjnego opartego na tranzystorach SiC MOSFET oraz wskazówkami projektowymi pozwalającymi zmaksymalizować sprawność urządzenia.

Czym jest przemiennik trakcyjny?

Przemiennik trakcyjny pojazdu elektrycznego przetwarza prąd stały dostarczany przez akumulatory wysokiego napięcia na prąd zmienny, który jest wymagany przez silnik elektryczny do wytworzenia momentu obrotowego niezbędnego do poruszania pojazdu. Parametry elektryczne przemiennika trakcyjnego mają znaczący wpływ na przyspieszenie pojazdu i jego zasięg.

Współczesne przemienniki trakcyjne są zasilane przez układy akumulatorów wysokiego napięcia 400V, a ostatnio także 800V. Przy natężeniu prądu przemiennika trakcyjnego wynoszącym 300A lub wyższym, urządzenie zasilane z systemu akumulatorów 800V jest w stanie dostarczyć ponad 200kW mocy. Wraz ze wzrostem mocy zmniejszają się rozmiary przemienników, co znacznie zwiększa gęstość mocy.

Pojazdy elektryczne z akumulatorami o napięciu 400V wymagają przemienników trakcyjnych z półprzewodnikami mocy o napięciu znamionowym w zakresie od 600 do 750V, natomiast pojazdy o napięciu 800V wymagają półprzewodników o napięciu znamionowym w zakresie od 900 do 1200V. Komponenty mocy stosowane w przemiennikach trakcyjnych muszą również być w stanie wytrzymać szczytowe wartości prądu zmiennego o natężeniu ponad 500A przez 30s oraz maksymalny prąd zmienny o natężeniu 1600A przez 1ms. Ponadto, tranzystory przełączające i sterowniki bramek zastosowane w urządzeniu muszą być w stanie obsłużyć tak duże obciążenia przy jednoczesnym zachowaniu wysokiej sprawności przemiennika trakcyjnego (tabela 1).

Tabela 1: Typowe wymagania dla przemienników trakcyjnych w 2021 r.; gęstość energii wykazuje 250% wzrost w porównaniu z rokiem 2009. (Źródło ilustracji: Steven Keeping)

Przemiennik trakcyjny składa się zazwyczaj z trzech elementów półmostkowych (przełączniki po stronie wysokiej i niskiej), po jednym dla każdej fazy silnika, ze sterownikami bramek sterującymi przełączaniem każdego tranzystora po stronie niskiej. Cały zespół musi być galwanicznie odizolowany od obwodów niskiego napięcia (LV) zasilających pozostałe układy pojazdu (ilustracja 1).

Ilustracja 1: Pojazd elektryczny wymaga trójfazowego przemiennika źródła napięciowego (przemiennika trakcyjnego) do przetwarzania prądu stałego z akumulatora o wysokim napięciu na prąd zmienny wymagany przez silnik lub silniki elektryczne pojazdu. Układ wysokiego napięcia (HV), łącznie z przemiennikiem trakcyjnym, jest odizolowany od konwencjonalnej instalacji 12V pojazdu. (Źródło ilustracji: ON Semiconductor)

Przełączniki w przykładzie pokazanym na ilustracji 1 są tranzystorami IGBT. Były one popularnym wyborem dla przemienników trakcyjnych, ponieważ są w stanie obsługiwać wysokie napięcia, przełączają się szybko, oferują dobrą wydajność i są stosunkowo niedrogie. Jednak wraz ze spadkiem cen i wzrostem dostępności handlowej tranzystorów mocy SiC MOSFET inżynierowie zaczęli zwracać się ku tym komponentom ze względu na ich znaczące zalety w porównaniu z tranzystorami IGBT.