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

Projektowanie z wykorzystaniem tranzystorów SiC MOSFET

Pomimo zalet, konstruktorzy, którzy chcą zastosować tranzystory SiC MOSFET w projektach przemienników trakcyjnych, powinni być świadomi istotnej komplikacji: tranzystory te mają trudne wymagania dotyczące wysterowania bramek. Niektóre z tych wyzwań wynikają z faktu, że w porównaniu z tranzystorami Si MOSFET, tranzystory SiC MOSFET wykazują niższą transkonduktancję, wyższą rezystancję wewnętrzną bramki, a próg załączenia bramki może być niższy od 2V. W rezultacie, bramka musi być ściągnięta poniżej masy (typowo do -5V) podczas stanu wyłączenia, aby zapewnić prawidłowe przełączanie.

Jednak kluczowym wyzwaniem dla sterownika bramki jest fakt, że wymagane jest przyłożenie dużego napięcia VGS (do 20V), aby zapewnić niską rezystancję RDS(ON). Praca tranzystora SiC MOSFET przy zbyt niskim napięciu VGS może spowodować obciążenia termiczne, a nawet awarię spowodowaną stratami mocy (ilustracja 3).

Ilustracja 3: W przypadku tranzystora SiC MOSFET NTBG020N090SC1 wymagane jest wysokie napięcie VGS, aby uniknąć obciążeń termicznych spowodowanych przez wysoką rezystancję RDS(ON). (Źródło ilustracji: ON Semiconductor).

Ponieważ tranzystor SiC MOSFET jest urządzeniem o niskim wzmocnieniu, projektant musi również wziąć pod uwagę wpływ tego faktu na kilka innych ważnych charakterystyk dynamicznych podczas projektowania obwodu sterownika bramki. Cechy te obejmują plateau Millera ładowania bramki i wymóg zabezpieczenia nadprądowego.

Te komplikacje projektowe wymagają wyspecjalizowanego sterownika bramki o następujących cechach:

• Możliwość zapewnienia napięcia VGS od -5 do 20V w celu pełnego wykorzystania zalet parametrów działania tranzystora SiC MOSFET. Aby zapewnić odpowiednią nadwyżkę w celu spełnienia tego wymogu, obwód napędu bramki powinien być w stanie wytrzymać napięcia VDD = 25V i VEE = -10V.
• Napięcie VGS musi mieć strome zbocza narastania i opadania, rzędu kilku nanosekund (ns).
• Sterownik bramki musi być w stanie zapewnić wysoki szczytowy prąd bramki rzędu kilku amperów w całym obszarze plateau Millera tranzystora MOSFET.
• Wartość znamionowa prądu odbioru powinna przekraczać wartość, która byłaby wymagana do rozładowania pojemności wejściowej tranzystora SiC MOSFET. W przypadku półmostkowych topologii zasilania o wysokich parametrach należy rozważyć minimalny szczytowy prąd odbioru rzędu 10A.
• Niska indukcyjność pasożytnicza dla szybkich przełączeń.
• Mała obudowa sterownika umożliwia umieszczenie go jak najbliżej tranzystora SiC MOSFET i zwiększenie gęstości energii.
• Funkcja desaturacji (DESAT) umożliwiająca wykrywanie, zgłaszanie usterek i ochronę w celu zapewnienia długotrwałej i niezawodnej pracy.
• Poziom blokady pracy przy zbyt niskim napięciu VDD (UVLO), który jest dopasowany do wymogu, aby VGS >16V przed rozpoczęciem przełączania.
• Funkcja monitorowania VEE UVLO zapewniająca pozostawanie szyny napięcia ujemnego w akceptowalnym zakresie.

Firma ON Semiconductor wprowadziła sterownik bramek zaprojektowany tak, aby spełniał wspomniane wymagania w projektach przemienników trakcyjnych. Sterownik bramek SiC MOSFET NCP51705MNTXG charakteryzuje się wysokim poziomem integracji, dzięki czemu jest kompatybilny nie tylko z tranzystorami SiC MOSFET tej firmy, ale również z tranzystorami MOSFET wielu innych producentów. Urządzenie zawiera wiele podstawowych funkcji typowych dla sterowników bramek ogólnego przeznaczenia, ale spełnia również wyspecjalizowane wymagania niezbędne do zaprojektowania niezawodnego układu sterownika bramki SiC MOSFET z wykorzystaniem minimalnej liczby komponentów zewnętrznych.

Na przykład, układ NCP51705MNTXG zawiera funkcję DESAT, którą można zaimplementować przy użyciu tylko dwóch zewnętrznych komponentów. Funkcja DESAT jest formą zabezpieczenia nadprądowego dla tranzystorów IGBT i MOSFET umożliwiającą monitorowanie awarii w której napięcie VDS może wzrosnąć przy maksymalnym prądzie ID. Może to mieć wpływ na sprawność, a w najgorszym przypadku może doprowadzić do uszkodzenia tranzystora MOSFET. Ilustracja 4 pokazuje sposób, w jaki układ NCP51750MNTXG monitoruje napięcie VDS tranzystora MOSFET (Q1) poprzez wtyk DESAT za pośrednictwem komponentów R1 i D1.

Ilustracja 4: funkcja DESAT układu NCP51705MNTXG mierzy napięcie VDS pod kątem anomalii podczas okresów maksymalnego prądu ID i implementuje zabezpieczenie nadprądowe. (Źródło ilustracji: ON Semiconductor)