A differenza dei veicoli elettrici per il mercato consumer, che privilegiano l'autonomia per carica, altri casi d'uso nel settore dei trasporti possono avere priorità diverse, che vengono affrontate attraverso miglioramenti delle APU. Ad esempio, lo spazio per i passeggeri è molto importante nelle metropolitane leggere, poiché l'altezza libera consente di trasportare un maggior numero di passeggeri paganti. L'affidabilità sul campo è fondamentale per i veicoli minerari, dove i tempi di inattività si misurano in milioni di dollari al giorno. E in tutti i casi d'uso, il comfort dei passeggeri è fondamentale in un mercato servito da OEM competitivi che si rivolgono a clienti esigenti.
Le elevate perdite di commutazione degli IGBT al silicio hanno ostacolato i miglioramenti nelle APU per il settore dei trasporti. Limitando la frequenza di commutazione, gli IGBT fissano le dimensioni minime dei componenti fisici più grandi dell'APU: il trasformatore di isolamento e il dissipatore di calore. Con il SiC, le dimensioni del trasformatore di isolamento possono essere drasticamente ridotte commutando a frequenze più elevate; e con perdite di commutazione ridotte dell'80% o più, anche i dissipatori di calore possono essere ridotti di dimensioni. Inoltre, le frequenze di commutazione dell'APU possono estendersi oltre la gamma udibile, eliminando il fischio acuto che risulta fastidioso per i passeggeri. Infine, l'efficienza è essenziale perché l'APU funziona continuamente, spesso con carichi leggeri; Le perdite di conduzione dei MOSFET in SiC sono inferiori a quelle degli IGBT concorrenti in condizioni di carico leggero.
Il SiC è all'altezza del compito?
La resistenza dei MOSFET in SiC in un'ampia gamma di condizioni è essenziale per le APU che alimentano sia i carichi di comfort che quelli di emergenza. È necessario verificare: 1) la stabilità dell'ossido di gate del MOSFET, un problema noto per i MOSFET in SiC; 2) la durata dell'ossido di gate; 3) la stabilità del diodo di corpo del MOSFET; e 4) le misure di resistenza ai guasti, come la resistenza alla valanga e la sopravvivenza al cortocircuito.
Integrità dell'ossido di gate:
se la tensione di soglia si sposta, le prestazioni del dispositivo cambiano (ad esempio, la resistenza di accensione aumenta), portando a un comportamento irregolare del sistema e a un potenziale guasto dell'APU. La Figura 1 mostra come i dati Vth per i MOSFET SiC di tipo produttivo non dovrebbero mostrare alcun cambiamento significativo dopo 1000 ore di stress a 175 °C.
Figura 1. Tensione di soglia dei MOSFET SiC di tipo produttivo prima e dopo alta temperatura (a sinistra) e tensione di polarizzazione del gate positiva (a destra).
La durata dell'ossido di gate può essere prevista accelerando i campioni fino al guasto utilizzando temperature e campi elettrici elevati. L'energia di accensione viene estratta per ciascuna modalità di guasto e un'equazione di Arrhenius viene utilizzata per estrapolare la durata dell'ossido (vedere Figura 2). L'ossido di gate di un MOSFET SiC di grado produttivo può durare ben oltre 100 anni ad alta tensione, garantendo la sicurezza del funzionamento di routine e affidabile dell'APU oltre la sua durata di vita prevista.
Figura 2. Esempio della durata di vita estrapolata dell'ossido del MOSFET SiC di qualità produttiva di Microchip.
Stabilità del diodo di corpo:
a differenza dell'IGBT, il MOSFET SiC può condurre corrente inversa utilizzando il suo diodo di corpo intrinseco. In alcuni dispositivi, questo diodo si degrada nel tempo, con conseguente aumento di RDSon e maggiore calore rispetto a quanto previsto. La Figura 3 mostra le curve I-V del diodo di corpo e la resistenza drain-source (RDSon) del MOSFET nello stato ON dopo molte ore di tensione diretta costante [1]. È stata osservata una grande variazione tra i diversi fornitori. Un fornitore ha riscontrato un degrado marcato; un altro è diventato inutilizzabile. I dispositivi selezionati non dovrebbero mostrare alcun cambiamento percettibile. L'utilizzo di un MOSFET SiC con un diodo di corpo stabile migliora l'affidabilità e riduce i costi eliminando il diodo antiparallelo.
Figura 3. Tensione RDSon prima e dopo di MOSFET SiC disponibili in commercio, che rivela la diversa qualità intrinseca del diodo di corpo di tre fornitori [1].
Sopravvivenza sul campo: cortocircuito e
trasporto a valanga. Le APU sono soggette a un'ampia varietà di guasti, pertanto i MOSFET SiC devono essere progettati per resistere in sicurezza a questi eventi e mantenere prestazioni costanti prima e dopo i guasti.
La capacità di resistenza al cortocircuito misura la capacità di un MOSFET di sopravvivere a un cortocircuito istantaneo del collegamento CC tra i suoi terminali drain-source. I canali dei MOSFET sono ottimizzati, consentendo a un dispositivo opportunamente progettato di distribuire in sicurezza le correnti di picco sull'area del die del MOSFET. La Figura 4 mostra i tempi di resistenza al cortocircuito (SCWT) dei MOSFET SiC di produzione; l'esempio di Microchip varia da 3 a 14 microsecondi e dipende dalla tensione del collegamento CC e dalla VGS applicata. Questo è sufficiente per molti driver di gate disponibili in commercio. Un driver avanzato, come quello descritto nella sezione successiva, aggiunge funzionalità intelligenti al rilevamento del cortocircuito.
Figura 4. Tempo di resistenza al cortocircuito per MOSFET SiC di produzione.
La resistenza alla valanga è ancora più impegnativa: la corrente di carico viene improvvisamente riversata nel MOSFET, costringendo la tensione drain-source a salire fino al punto di rottura. A differenza di un cortocircuito, i canali del MOSFET non vengono potenziati; la corrente di valanga sovraccarica il bordo del die, portando rapidamente il dispositivo ai suoi limiti termici.
La commutazione induttiva ripetitiva non bloccata (R-UIS) viene utilizzata per valutare la resistenza alla valanga di un dispositivo. La Figura 5 mostra il tempo di rottura dielettrica (TDDB) dei MOSFET SiC commerciali prima e dopo 100.000 cicli R-UIS. Molti fornitori mantengono la resistenza all'ossido, ma la capacità di testare fino a quattro volte la resistenza, insieme alla stabilità in RDSon e alla dispersione drain-source [2], rafforza la capacità dei MOSFET SiC di attraversare in sicurezza le condizioni di sovraccarico elettrico più impegnative.
Figura 5. Guasto dielettrico dipendente dal tempo prima e dopo un guasto a valanga ripetuto per MOSFET SiC disponibili in commercio di quattro fornitori.
Commutazione più rapida con package a bassa induttanza.
In combinazione con elevati rapporti di commutazione, le induttanze problematiche in un sistema di alimentazione portano a maggiori perdite di commutazione, tensioni di sovraccarico eccessive, EMI non conformi e potenzialmente guasti alle APU. Le misure preventive che i progettisti devono adottare per ridurre la velocità dei MOSFET possono far sorgere dubbi sul valore aggiunto del SiC.
Il package SP6LI a bassa induttanza di Microchip illustra come questi problemi possano essere risolti. La configurazione dello stadio di fase introduce meno di 3 nanohenry di induttanza parassita nel circuito di alimentazione. Internamente, sono state apportate ottimizzazioni di progettazione per garantire una temporizzazione e una ripartizione della corrente identiche. Le prestazioni termiche possono essere migliorate con l'uso di ceramica al nitruro di silicio (è disponibile anche il nitruro di alluminio) e le opzioni per la piastra di base includono rame e AlSiC. Esternamente, i terminali di alimentazione consentono una connessione a bassa induttanza al collegamento CC e un parallelismo ottimale in due orientamenti. L'SP6LI consente ai progettisti di pilotare i MOSFET SiC a velocità più elevate con la massima efficienza e una riduzione delle interferenze elettromagnetiche (EMI), riducendo le dimensioni delle APU ed evitando guasti correlati alle EMI.
I driver di gate mantengono le APU sulla giusta traiettoria.
Le prestazioni e l'affidabilità delle APU possono essere ottimizzate anche utilizzando driver di gate digitali programmabili che consentono una regolazione precisa della tensione di overflow e delle perdite di commutazione in tempo reale. Ciò consente ai progettisti di APU di ridurre i costi e le dimensioni delle APU con componenti a tensione inferiore e dissipatori di calore più piccoli, ed eliminare ore di lavoro con un saldatore e una pila di resistori di gate.
L'impatto della commutazione potenziata è visibile nella Figura 6. A differenza dello spegnimento convenzionale (a sinistra), lo spegnimento potenziato inizia con una tensione di accensione di 20 V, passa a un livello intermedio programmato dall'utente per un tempo di permanenza specificato e infine allo stato di spegnimento di -5 V. Gli effetti sono modesti a causa dell'induttanza eccezionalmente bassa dell'SP6LI; risultati che mostrano un'influenza più pronunciata sono stati riportati altrove [2,3]. Inoltre, gli eventi di cortocircuito si arrestano rapidamente, riducendo la tensione e la corrente di picco rispettivamente del 60% e del 10% (Figura 7).
Figura 6. Interfaccia utente grafica per il controllore di porte programmabile AgileSwitch™ e forme d'onda di arresto utilizzando (a sinistra) la commutazione convenzionale e (a destra) la commutazione aumentata.
Figura 7. Dimostrazione di come la commutazione potenziata (a destra) possa ridurre la tensione e la corrente di picco durante un evento di cortocircuito rispetto alla commutazione convenzionale (a sinistra).
di soluzioni complete per sistemi SiC
che desiderano accelerare il passaggio dalla valutazione a doppio impulso alla produzione di massa avranno bisogno di kit di sviluppo accelerato che unifichino i tre componenti di una soluzione completa per sistemi SiC per APU di trasporto: dispositivi di potenza SiC robusti, un package di potenza a bassa induttanza e un driver di gate intelligente. La Figura 8 mostra come la soluzione di Microchip può essere integrata in un circuito APU.
Figura 8: Implementazione proposta dello sfasamento a ponte intero ASDAK+ di Microchip nella sezione DC-DC di un'APU di trasporto. [4]
Abstract:
L'utilizzo di MOSFET in SiC nelle unità di potenza ausiliarie per veicoli di trasporto offre vantaggi rivoluzionari rispetto agli IGBT in silicio in termini di dimensioni, peso, efficienza e rumorosità. Tuttavia, questi vantaggi possono essere ottenuti solo con un'elevata affidabilità sul campo, utilizzando MOSFET in SiC robusti, un package a bassa induttanza e un driver di gate sufficientemente intelligente da sfruttare le prestazioni agili del SiC. I progettisti possono ora affrontare le sfide di progettazione delle APU per il settore dei trasporti con soluzioni di sistema complete in SiC che riducono simultaneamente dimensioni, rumorosità e guasti sul campo.
Riferimenti
[1] Agarwal, A. e Kang, M., comunicazione privata, 2020.
[2] Speer, K., Satheesh, N., Kashyap, A. e Bontemps, S., "Sviluppo SiC semplificato con una soluzione di sistema completa", IEEE Power Electronics Magazine, Vol. 28-35, 2020.
[3] Satheesh, N., Robins, C. e Fender, A., "Lo stato dei driver di gate MOSFET SiC intelligenti", Bodo's Power Systems, pp. 30-33, febbraio 2018.
[4] Satheesh, N., "MOSFET al carburo di silicio: maneggiare con cura", in Proc. Conferenza sull'elettronica di potenza applicata (APEC), San Antonio, Texas, USA, 2018.
[5] Hayashiya, H. e Kondo, K., "Tendenze recenti nelle applicazioni dell'elettronica di potenza come soluzioni nelle ferrovie elettriche", IEEJ Transactions on Electrical and Electronic Engineering, vol. 15: 632-645, 2020.
Autore: di Kevin Speer, Nitesh Satheesh e Marc Rommerswinkel, Microchip Technology
