Projektowanie tranzystorów SiC MOSFET w celu poprawy sprawności przemienników trakcyjnych w pojazdach elektrycznych
Wydajny przemiennik trakcyjny ma kluczowe znaczenie dla kompromisu osiągami auta i zasięgiem, a jedną z kluczowych dróg poprawy sprawności jest wykorzystanie urządzeń półprzewodnikowych o szerokiej przerwie energetycznej (WBG) wykonanych z węglika krzemu.
Zalety tranzystorów SiC MOSFET dla wysokosprawnych sterowników bramek
Główne zalety tranzystorów SiC MOSFET w porównaniu z konwencjonalnymi tranzystorami krzemowymi (Si) MOSFET i IGBT wynikają z zastosowania w tych urządzeniach podłoża półprzewodnikowego o szerokiej przerwie energetycznej(WBG). Tranzystory Si MOSFET posiadają przerwę energetyczną 1,12eV w porównaniu z 3,26eV w przypadku tranzystorów SiC MOSFET. Oznacza to, że tranzystor o szerokiej przerwie energetycznej (WBG) może wytrzymać znacznie wyższe napięcia przebicia niż urządzenia w technologii Si, jak również wypadkowe napięcie pola przebicia około dziesięć razy większe niż w Si. Wysokie napięcie pola przebicia pozwala na zmniejszenie grubości urządzenia dla danego napięcia, obniżając rezystancję włączenia (RDS(ON)), a tym samym zmniejszając straty przy przełączaniu i zwiększając zdolność przewodzenia prądu.
Kolejną kluczową zaletą technologii SiC jest przewodność cieplna, która jest około trzykrotnie wyższa niż w przypadku krzemu. Wyższa przewodność cieplna skutkuje mniejszym wzrostem temperatury złącza (Tj) przy danych stratach mocy. Tranzystory SiC MOSFET mogą również tolerować wyższą maksymalną temperaturę złącza (Tj(max)) niż tranzystory Si. Typowa wartość Tj(max) dla tranzystora Si MOSFET wynosi 150˚C. Urządzenia SiC wytrzymują Tj(max) do 600˚C, chociaż wartość znamionowa urządzeń komercyjnych wynosi zwykle od 175 do 200˚C. Tabela 2 zawiera porównanie właściwości Si i 4H-SiC (krystalicznej postaci SiC powszechnie używanej do produkcji tranzystorów MOSFET).
Tabela 2: Pole przebicia, przewodność cieplna i maksymalna temperatura złącza sprawiają, że tranzystory SiC MOSFET są lepszym wyborem niż tranzystory Si w przypadku zastosowań wymagających przełączania dużych prądów i wysokiego napięcia. (Źródło ilustracji: ON Semiconductor)
Wysokie napięcie przebicia, niska rezystancja RDS(ON), wysoka przewodność cieplna i wysoka temperatura Tj(max) pozwalają tranzystorom SiC MOSFET na obsługę znacznie wyższych prądów i napięć w porównaniu do tranzystorów Si MOSFET o podobnych rozmiarach.
Ilustracja 2: Tranzystory mocy SiC MOSFET z kanałem N NTBG020N090SC1 oraz NTBG020N120SC1 są dostarczane w obudowie D2PAK-7L i różnią się przede wszystkim wartościami napięcia V(BR)DSS, wynoszącymi odpowiednio 900 i 1200V. (Źródło ilustracji: Steven Keeping, przy wykorzystaniu materiałów z ON Semiconductor)
Tranzystory IGBT są również w stanie obsługiwać wysokie napięcia i prądy, a przy tym są zwykle tańsze niż tranzystory SiC MOSFET - jest to kluczowy powód, dla którego znalazły one uznanie w projektach przemienników trakcyjnych. Wadą tranzystorów IGBT, szczególnie gdy projektant chce zmaksymalizować gęstość energii, jest ograniczenie maksymalnej częstotliwości pracy ze względu na ich „prąd ogonowy” i stosunkowo powolne wyłączanie. Z kolei tranzystory SiC MOSFET są w stanie obsługiwać przełączanie przy wysokiej częstotliwości na równi z Si MOSFET, ale mają zdolność obsługi napięcia i prądu tranzystorów IGBT.
Większa dostępność tranzystorów SiC MOSFET
Do niedawna stosunkowo wysoka cena tranzystorów SiC MOSFET powodowała, że ich zastosowanie było ograniczone do przemienników trakcyjnych dla luksusowych pojazdów elektrycznych, ale spadające ceny spowodowały, że tranzystory SiC MOSFET stały się opcją dla szerszej gamy produktów.
Dwa przykłady tranzystorów mocy SiC MOSFET nowej generacji pochodzą z firmy ON Semiconductor. Są to NTBG020N090SC1 i NTBG020N120SC1. Zasadnicza różnica pomiędzy tymi urządzeniami polega na tym, że pierwsze z nich charakteryzuje się maksymalnym napięciem przebicia dren-źródło (V(BR)DSS) równym 900V, przy napięciu bramka-źródło (VGS) równym 0V i ciągłym prądzie drenu (ID) równym 1mA, podczas gdy drugie ma maksymalne napięcie V(BR)DSS równe 1200V (w tych samych warunkach). Maksymalna temperatura Tj dla obu urządzeń wynosi 175˚C. Oba urządzenia są pojedynczymi tranzystorami MOSFET z kanałem N w obudowie D2PAK-7L (ilustracja 2).
NTBG020N090SC1 posiada rezystancję RDS(ON) 20mΩ przy napięciu VGS 15V (ID = 60A, Tj = 25˚C), oraz RDS(ON) 16mΩ przy VGS 18V (ID = 60A, Tj = 25˚C). Maksymalny ciągły prąd przewodzenia diody dren-źródło (ISD) wynosi 148A (VGS = -5V, Tj = 25˚C), a maksymalny impulsowy prąd przewodzenia diody dren-źródło (ISDM) wynosi 448A (VGS = -5V, Tj = 25˚C). Tranzystor NTBG020N120SC1 posiada rezystancję RDS(ON) równą 28mΩ przy napięciu VGS równym 20V (ID = 60A, Tj = 25˚C). Maksymalna wartość prądu ISD wynosi 46A (VGS = -5V, Tj = 25˚C), a maksymalna wartość ISDM wynosi 392 A (VGS = -5V, Tj = 25˚C).