Уменьшение размеров, шумов и эксплуатационных отказов источников питания для транспортных применений

 

Кевин Спир (Kevin Speer)

Нитеш Сатиш (Nitesh Satheesh)

Марк Роммершвинкель (Marc Rommerswinkel)

 

В конечном итоге конструкторы смогли использовать прорывные преимущества SiC-технологии на системном уровне для уменьшения размеров, уровня шумов и интенсивности отказов вспомогательных источников питания (APU) транспортных средств.

 

 

По мере электрификации транспортных средств (EV) в потребительском сегменте, другие виды транспорта также следуют данному глобальному тренду. Это относится к железной дороге, авиации, грузовым автомобилям доставки, внедорожным транспортным средствам и многому другому. Общими узлами всех видов EV являются две системы: тяговая силовая установка (TPU), обеспечивающая движение транспортного средства, и источник питания собственных нужд (APU), предназначенный для электропитания всех бортовых нагрузок — от систем освещения и управления дверями до кондиционеров и силовых разъемов.

В отличие от потребительских EV, в которых главным является соотношение пробега и заряда батареи, другие виды транспорта могут иметь иные приоритеты, решаемые за счет улучшения характеристик APU. Например, в легкорельсовом транспорте приоритет отдается объему кабины, так как большее свободное пространство позволяет разместить большее количество пассажиров. Надежность эксплуатации имеет первостепенное значение для горных машин, где время простоя измеряется миллионами долларов в день. И во всех случаях комфорт пассажиров имеет решающее значение на рынке, обслуживаемом производителями оборудования (OEM — original equipment manufacturer), ориентированными на разборчивых покупателей.

Высокие коммутационные потери кремниевых IGBT становятся препятствием для их использования в транспортных APU. Из-за ограниченной частоты коммутации IGBT определяют минимальный размер самых больших компонентов APU — изолирующего трансформатора и радиатора. Более высокие рабочие частоты SiC-ключей позволяют резко снизить размеры изолирующих трансформаторов; а сокращение потерь переключения на 80% в свою очередь предоставляет возможность уменьшить размеры радиаторов. Кроме того, рабочие частоты APU могут выходить за пределы слышимого диапазона, благодаря чему можно устранить неприятные звуки, утомляющие пассажиров.

Большое значение имеет эффективность преобразования, поскольку APU работает непрерывно, и зачастую при небольшой нагрузке; потери проводимости SiC MOSFET ниже, чем у IGBT при частичных нагрузках.

 

Справится ли SiC с этой задачей?

 

Очень важна надежность SiC MOSFET в широком диапазоне условий применения APU, которые питают как номинальные, так и аварийные нагрузки. Необходимо проверить:

1. Стабильность оксидного слоя затвора MOSFET — это известная проблема SiC MOSFET.
2. Срок службы оксидного слоя затвора.
3. Стабильность характеристик «тельного» диода MOSFET.
4. Характеристики, влияющие на отказоустойчивость, такие как прочность к лавинному пробою и устойчивость к короткому замыканию.

 

Надежность оксидного слоя затвора

 

Сдвиг порогового напряжения затвора изменяет характеристики прибора (например, повышается сопротивление открытого канала), что приводит к неустойчивому поведению системы и возможному отказу APU. На рис. 1 показано, что значение Vth для SiC MOSFET не должно существенно изменяться после 1000 ч испытаний при +175 °C.

Рис. 1. Пороговое напряжение SiC MOSFET до и после тестового напряжения затвора при высокой температуре (тест HTGB): а) отрицательного; б) положительного

 

Можно предсказать срок службы оксидного слоя затвора с помощью ускоренных тестов до разрушения при повышенной температуре и воздействии электрического поля. Для каждого режима отказа вычисляется энергия активации, а уравнение Аррениуса используется для экстраполяции времени жизни оксида (рис. 2).

Рис. 2. Пример экстраполированного срока службы оксидного слоя SiC MOSFET от Microchip

 

Оксидный слой затвора SiC MOSFET может прослужить более 100 лет в таких условиях, что дает уверенность в надежной работе APU за пределами расчетного срока службы.

 

Стабильность характеристик «тельного» диода

 

В отличие от IGBT, SiC MOSFET может проводить обратный ток посредством интегрального «тельного» диода. В некоторых приборах этот диод со временем деградирует, что приводит к увеличению сопротивления канала RDSon и перегреву, превышающему расчетное значение. На рис. 3 показаны вольт-амперные кривые «тельного» диода и сопротивление открытого канала MOSFET (RDSon) после длительного теста при протекании прямого тока [1].

 

Рис. 3. Значение RDSon до и после теста для коммерческих SiC MOSFET показывает различия в качестве «тельных» диодов трех поставщиков [1]

 

Между модулями от различных поставщиков наблюдались большие различия. Один из компонентов имел заметную деградацию, другой вышел из строя. Выбранные приборы не должны показывать заметного изменения параметров. Использование SiC MOSFET со стабильным «тельным» диодом повышает надежность системы и снижает затраты за счет устранения необходимости применения внешнего антипараллельного диода.

 

Эксплуатационная надежность: короткое замыкание и лавинный пробой

 

Транспортные APU функционируют в условиях различных аварийных режимов, поэтому используемые SiC MOSFET должны быть созданы с учетом высокой стойкости к этим режимам и обеспечения работоспособности до и после аварии.

Способность выдерживать короткое замыкание (КЗ) оценивает стойкость MOSFET к мгновенным циклам КЗ в цепи постоянного тока на выводах сток-исток. У транзисторов расширены MOS-каналы, что позволяет правильно разработанному прибору безо пасно распределять пиковые токи по поверхности чипа MOSFET.

На рис. 4 показано допустимое время короткого замыкания (SCWT) для серийных SiC-MOSFET Microchip, в данном примере оно составляет 3–14 мкс в зависимости от напряжения DC-шины и приложенного напряжения VGS. Этого достаточно для многих коммерчески доступных драйверов затворов. Усовершенствованный драйвер, описанный далее, обладает дополнительным интеллектом при детектировании короткого замыкания.

Рис. 4. Допустимое время короткого замыкания для SiC MOSFET от Microchip

 

Обеспечение стойкости к лавинному пробою — еще более сложная задача: ток нагрузки внезапно сбрасывается в MOSFET, заставляя напряжение сток-исток расти до уровня пробоя. В отличие от короткого замыкания, MOS-каналы не расширяются; лавинный ток нагружает край чипа, быстро доводя полупроводниковый прибор до его тепловых пределов. Для оценки лавинной прочности прибора используется повторяющаяся коммутация индуктивной нагрузки без ограничения напряжения (R‑UIS). На рис. 5 показан времязависимый диэлектрический пробой (TDDB) для коммерческих SiC MOSFET до и после 100 000 циклов R‑UIS. Многие поставщики обеспечивают прочность оксидного слоя, но возможность демонстрировать до четырех раз большую стойкость наряду со стабильностью сопротивления RDSon и тока утечки сток-исток [2] усиливает способность SiC MOSFET безопасно работать в самых тяжелых условиях электрического перенапряжения.

Рис. 5. Времязависимый пробой диэлектрика до и после повторяющегося лавинного отказа для коммерческих SiC MOSFET четырех поставщиков

 

Увеличение скорости коммутации с низкоиндуктивным корпусом

 

Наличие распределенных индуктивностей в силовых преобразователях приводит к повышению потерь переключения, росту уровня коммутационных перенапряжений, проблемам EMI и возможному отказу APU. Превентивные меры, которые должны принять разработчики для снижения скорости MOSFET, могут заставить их задуматься о том, что эти меры лишают SiC-ключи их преимуществ. Использование низкоиндуктивного корпуса SP6LI Microchip иллюстрирует, как эти проблемы могут быть решены. Одна фазная стойка добавляет в силовой контур менее 3 нГн паразитной индуктивности. Была произведена оптимизация топологии соединений для обеспечения идентичных временных характеристик и симметричного распределения токов. Тепловые характеристики могут быть улучшены за счет применения керамики из нитрида кремния (также предлагается нитрид алюминия), а базовые платы могут изготавливаться из меди и композита AlSiC.

Внешне силовые клеммы обеспечивают низкоиндуктивное подключение к DC-шине и оптимальное параллельное соединение в двух направлениях. Корпус SP6LI позволяет SiC MOSFET работать на более высоких скоростях с максимальной эффективностью и сниженным уровнем помех, что дает возможность уменьшить габариты APU и исключить связанные с EMI проблемы.

Драйвер затвора держит APU «на ходу»

 

Производительность и надежность APU могут быть оптимизированы за счет использования цифровых программируемых драйверов затвора, способных контролировать уровень перенапряжения и потери переключения в режиме реального времени. Это позволяет снизить стоимость и габариты APU путем уменьшения номенклатуры низковольтных компонентов и размеров радиаторов, а также исключить необходимость подбора затворных резисторов. Влияние расширенного режима переключения показано на рис. 6.

Рис. 6. Графический пользовательский интерфейс для программируемого драйвера затвора AgileSwitch и форма сигнала выключения с использованием: а) обычного режима переключения; б) расширенного режима переключения

 

В отличие от обычного способа коммутации (рис. 6а) расширенное выключение начинается с подачи ступеньки напряжения 20 В, далее происходит переход на запрограммированный промежуточный уровень в течение заданного времени и, наконец, выключение при напряжении –5 В. Полученный эффект очень скромен из-за чрезвычайно низкой индуктивности SP6LI; результаты, опубликованные в других источниках, демонстрируют более выраженное влияние [2, 3]. Кроме того, состояние  короткого замыкания быстро прерывается, что дает снижение пикового напряжения и тока на 60 и 10% соответственно (рис. 7).

Рис. 7. Демонстрация того, что расширенный режим коммутации (б) может снизить пиковое напряжение и пиковый ток при коротком замыкании по сравнению с обычным режимом коммутации (а)

 

Системное решение на основе SiC

 

Разработчикам, желающим перейти от «двухимпульсного» теста к массовому производству, пригодятся отладочные комплекты, объединяющие все три части устройства в единое системное решение на основе SiC для транспортных APU: надежные силовые SiC, низкоиндуктивный корпус и интеллектуальный драйвер затвора. На рис. 8 показано, как решение Microchip может быть использовано в схеме APU.

Рис. 8. Предлагаемая мостовая схема с фазовым сдвигом Microchip ASDAK+ в секции DC/DC-преобразователя транспортного APU [4]

 

Выводы

 Использование SiC MOSFET во вспомогательных источниках питания транспортных средств дает огромные преимущества по сравнению с кремниевыми IGBT в отношении габаритов, веса, эффективности и уровня шумов APU. Однако эти преимущества могут быть реализованы только при высокой эксплуатационной надежности системы за счет применения надежных SiC MOSFET, низкоиндуктивного дизайна устройства и драйвера затвора, достаточно «интеллектуального», чтобы контролировать производительность SiC. Современные разработчики могут решать эти задачи с помощью комплексных систем на основе SiC, позволяющих уменьшить габариты, уровень шумов и интенсивность эксплуатационных отказов.

MCA848

 

Литература

1. Agarwal A., Kang, M. Private communication, 2020.
2. Speer K., Satheesh N., Kashyap A., Bontemps S. Streamlined SiC Development With a Total System Solution // IEEE Power Electronics Magazine. 2020. Vol. 7. No. 4.
3. Satheesh N., Robins C., Fender A. The State of Intelligent SiC MOSFET Gate Drivers. Bodo’s Power Systems. February 2018.
4. Satheesh N. Silicon carbide MOSFETs: Handle with care. Proc. Applied Power Electronics Conference (APEC). San Antonio, Texas, USA, 2018.
5. Hayashiya H., Kondo K. Recent Trends in Power Electron-ics Applications as Solutions in Electric Railways // IEEJ Transac-tions on Electrical and Electronic Engineering. 2020. Vol. 15.