Obniżenie strat, poprawa sprawności i rozszerzenie zakresu temperatur w zastosowaniach dużej mocy

Poprawa parametrów działania tranzystorów SiC MOSFET 4. generacji

Porównanie parametrów działania tranzystorów Si IGBT oraz tranzystorów SiC MOSFET 3. i 4. generacji przeprowadzono przy użyciu przemiennika pełnomostkowego o mocy 5kW (ilustracja 4). W tym obwodzie pełnomostkowym urządzenia przełączające są połączone równolegle, aby uzyskać wyższe prądy. Pełny mostek wykorzystuje łącznie osiem urządzeń. Na ilustracji po lewej stronie przedstawiono osiem urządzeń zamontowanych na radiatorze. Sprawność obwodu została oszacowana przy użyciu pierwotnego tranzystora IGBT oraz tranzystorów SiC MOSFET 3. i 4. generacji. Przemiennik pracuje z częstotliwością przełączania 40kHz w przypadku tranzystorów SiC MOSFET oraz z częstotliwością 20kHz w przypadku tranzystora IGBT.

Ilustracja 4: Przemiennik bezwentylatorowy o mocy 5kW i jego schemat. Pierwotnie zaprojektowany do współpracy z krzemowymi tranzystorami IGBT i częstotliwością 20kHz, obwód ten był używany z tranzystorami SiC MOSFET zarówno 3. jak i 4. generacji przy częstotliwości 40kHz. Porównano parametry działania wszystkich trzech typów półprzewodników. (Źródło ilustracji: ROHM Semiconductor)

Urządzeniem 3. generacji był tranzystor SCT3030AL firmy ROHM Semiconductor o napięciu znamionowym 650V i rezystancji kanału (RDS(ON)) 30mΩ. Jako tranzystor MOSFET 4. generacji wykorzystano urządzenie SCT4026DEC11 firmy ROHM Semiconductor. Napięcie znamionowe urządzenia 4. generacji zostało podwyższone do 750V. Jego wartość RDS(ON) wynosi 26mΩ, co oznacza 13% redukcję, czyli nieznaczne zmniejszenie strat przewodzenia.

Porównanie strat w obu tranzystorach SiC MOSFET ze stratami na pierwotnych tranzystorach IGBT pokazuje poprawę sprawności (ilustracja 5).

Ilustracja 5: tranzystory SiC MOSFET 4. generacji znacznie zmniejszyły straty w porównaniu z pierwotnymi tranzystorami Si IGBT i urządzeniami 3. generacji. (Źródło ilustracji: ROHM Semiconductor)

Urządzenie 4. generacji zmniejszyło straty przewodzenia (kolor niebieski) z 10,7 do 9,82W w porównaniu z urządzeniem 3. generacji. Znaczniejszą redukcję osiągnięto w przypadku strat przełączania (kolor pomarańczowy) - spadek z 16,6 do 8,22W.

Dodatkowe ulepszenia w urządzeniach 4. generacji to m.in. poprawione możliwości sterowania bramkami. Tranzystory SiC MOSFET 4. generacji pozwalają na sterowanie napięciem 15V. Urządzenia 3. generacji wymagają napięcia 18V. Oznacza to, że tranzystory MOSFET 4. generacji można stosować jako bezpośrednie zamienniki w obwodach zaprojektowanych dla urządzeń krzemowych. Ponadto zalecane napięcie sterujące w czasie wyłączenia wynosi 0V dla tranzystorów SiC MOSFET 4. generacji. Przed opracowaniem produktów 4. generacji napięcie bramka-źródło wymagało ujemnego napięcia polaryzacji w czasie wyłączenia, aby zapobiec samoczynnemu włączeniu. Jednak w urządzeniach 4. generacji napięcie progowe (Vth) jest zaprojektowane na wysokim poziomie w celu stłumienia samoczynnego włączania, eliminując potrzebę stosowania ujemnej polaryzacji.

Rozwiązania 4. generacji

Tranzystory SiC MOSFET 4. generacji firmy ROHM Semiconductor dzielą się na dwie grupy w zależności od obudowy. Omawiany wcześniej tranzystor SiC MOSFET SCT4026DEC11 750V, 56A (+25°C)/29A (+100°C), 26mΩ zamknięty jest w trójodprowadzeniowej obudowie TO-247N. Alternatywnym przykładem jest tranzystor SCT4013DRC15 750V, 105A (+25°C)/74A (+100°C), 13mΩ w czteroodprowadzeniowej obudowie TO-247-4L.

Obudowa czteroodprowadzeniowa zawiera dodatkowe odprowadzenie, które poprawia szybkość przełączania tranzystora MOSFET. Konwencjonalna trójwtykowa obudowa TO-247N nie izoluje sterownika bramki od pasożytniczej indukcyjności źródło-odprowadzenie ze względu na wysoki prąd drenu. Napięcie bramki jest podawane między wtykami bramki i źródła. Efektywne napięcie bramki na mikroukładzie jest niższe ze względu na spadek napięcia na indukcyjności pasożytniczej (VL) zacisku źródła, co powoduje zmniejszenie szybkości przełączania (ilustracja 6).

Ilustracja 6: Czwarty wtyk TO-247-4L izoluje sterownik bramki od wtyków źródła zasilania za pomocą dodatkowego wtyku połączeniowego w układzie Kelvina. (Źródło ilustracji: ROHM Semiconductor)

Czterowtykowa obudowa TO-247-4L oddziela sterownik bramki od wtyków źródła zasilania, łącząc sterownik bramki ze źródłem zasilania wewnętrznie. Minimalizuje to oddziaływanie indukcyjności pasożytniczej na wtyku źródła. Bezpośrednie połączenie sterownika bramki z wewnętrznym połączeniem źródła umożliwia skrócenie czasu przełączania tranzystorów SiC MOSFET, co zmniejsza całkowite straty przełączania (dla włączania i wyłączania) nawet o 35% w porównaniu z konwencjonalną trójwtykową obudową TO-247N.

Drugim parametrem wyróżniającym tranzystory SiC MOSFET 4. generacji jest napięcie znamionowe. Urządzenia są dostępne na napięcie znamionowe 750V lub 1200V. Dwa omówione do tej pory urządzenia mają napięcie znamionowe 750V. Na potrzeby zastosowań z wyższym napięciem przewidziano tranzystor SiC MOSFET z kanałem N SCT4062KEC11 w trójodprowadzeniowej obudowie TO-247N, o następujących parametrach: 1200V, 62mΩ, 26A (+25°C)/18A (+100°C), oraz tranzystor MOSFET z kanałem N SCT4036KRC15 w czteroodprowadzeniowej obudowie TO-247-4L, o następujących parametrach: 1200V, 36mΩ, 43A (+25°C)/30A (+100°C). W sumie dostępnych jest obecnie dziesięć tranzystorów SiC MOSFET 4. generacji o prądach znamionowych od 26A do 105A przy temperaturze +25°C. Wartości ich rezystancji RDS(ON)mieszczą się w zakresie od 13 do 62mΩ.

Zastosowania w pojazdach elektrycznych (EV)

Specyfikacje tranzystorów SiC MOSFET 4. generacji są dobrze dopasowane do zastosowań w pojazdach elektrycznych. Przykładem mogą być bateryjne pojazdy elektryczne (BEV) na napięcie 400 lub 800V (ilustracja 7).

Ilustracja 7: Typowe zastosowania tranzystorów SiC MOSFET 4. generacji w bateryjnych pojazdach elektrycznych (BEV) i powiązanych akcesoriach zewnętrznych. (Źródło ilustracji: ROHM Semiconductor)

Ilustracja 7 przedstawia schemat blokowy bateryjnego pojazdu elektrycznego (BEV) na napięcie 400 lub 800V, obsługującego zarówno ładowanie szybkie, jak i dwukierunkowe. Ładowarka wbudowana (OBC) zawiera obwody korekcji współczynnika mocy (PFC) typu totem pole oraz dwukierunkową, pełnomostkową przetwornicę rezonansową CLLC (kondensator, cewka, cewka, kondensator). Bezpośrednie ładowanie baterii zapewnia zewnętrzna ładowarka prądu stałego „Quiq”. Bateria zasila przemiennik trakcyjny, który zamienia prąd stały na trójfazowy prąd zmienny służący do napędzania silnika. Wszystkie wspomniane obwody wykorzystują tranzystory MOSFET w różnych konfiguracjach, pozwalające obsłużyć wymagane poziomy mocy. Tranzystory SiC MOSFET 4. generacji są ważne, ponieważ zmniejszają fizyczne rozmiary obwodów i zwiększają napięcie znamionowe, a jednocześnie redukują straty i koszty.

Podsumowanie

Dla projektantów wysokonapięciowych zastosowań dużej mocy, jak na przykład pojazdy elektryczne, ośrodki przetwarzania danych i stacje bazowe, tranzystory SiC MOSFET 4. generacji są kluczowymi urządzeniami przełączania mocy. Wykorzystują one unikalną strukturę, która znacznie poprawia sprawność konwersji mocy poprzez zmniejszenie strat, a także zajmowanej powierzchni i kosztów.

Rekomendowane artykuły:

1. Efektywne wdrażanie urządzeń zasilających SiC w pojazdach elektrycznych o zwiększonym zasięgu
2. Prawidłowe stosowanie odpowiednich urządzeń zasilających w celu spełnienia wymagań dotyczących zasilania przemysłowego

Źródło: Obniżenie strat, poprawa sprawności i rozszerzenie zakresu temperatur w zastosowaniach dużej mocy

Kontakt w Polsce: poland.support@digikey.pl

Autor: Rolf Horn

Rolf Horn, Applications Engineer at DigiKey, has been in the European Technical Support group since 2014 with primary responsibility for answering any Development and Engineering related questions from final customers in EMEA, as well as writing and proof-reading German articles and blogs on DK’s TechForum and maker.io platforms. Prior to DigiKey, he worked at several manufacturers in the semiconductor area with focus on embedded FPGA, Microcontroller and Processor systems for Industrial and Automotive Applications. Rolf holds a degree in electrical and electronics engineering from the university of applied sciences in Munich, Bavaria and started his professional career at a local Electronics Products Distributor as System-Solutions Architect to share his steadily growing knowledge and expertise as Trusted Advisor.

Hobbies: spending time with family + friends, travelling in our VW-California transporter and motorbiking on a 1988 BMW GS 100.