Come includere i MOSFET SiC per migliorare l'efficienza degli inverter di trazione EV

Gli ingegneri devono scendere a un compromesso tra le prestazioni e l'autonomia dei moderni veicoli elettrici (EV). L'accelerazione più rapida e velocità di crociera più elevate richiedono soste di ricarica più frequenti e dispendiose in termini di tempo. In alternativa, un'autonomia maggiore comporta avanzamenti e progressi meno aggressivi. Per aumentare l'autonomia, offrendo al contempo ai conducenti prestazioni superiori, gli ingegneri devono progettare gruppi propulsori che garantiscano che la maggior parte dell'energia della batteria venga trasferita alle ruote motrici. Altrettanto importante è la necessità di mantenere le trasmissioni abbastanza piccole da rientrare nei vincoli del veicolo. Queste due esigenze richiedono sia componenti ad alta efficienza che ad alta densità energetica.

Il componente chiave in una catena cinematica EV è l'inverter trifase (o "inverter di trazione") che converte la tensione continua delle batterie nella corrente alternata necessaria ai motori elettrici del veicolo. Creare un inverter di trazione efficiente è fondamentale per ridurre i compromessi tra prestazioni e autonomia e uno dei modi principali per migliorare l'efficienza è l'uso appropriato di dispositivi semiconduttori al carburo di silicio (SiC) con ampio bandgap (WBG).

Questo articolo descrive il ruolo dell'inverter di trazione EV. Spiega poi come la progettazione dell'unità con transistor metallo-ossido-semiconduttore a effetto di campo (MOSFET) SiC può produrre una trasmissione EV più efficiente di quella che utilizza transistor bipolari a gate isolato (IGBT). L'articolo si conclude con l'esempio di un inverter di trazione basato su MOSFET SiC e consigli di progettazione su come massimizzare l'efficienza dell'unità.

Che cos'è un inverter di trazione?

L'inverter di trazione di un EV converte la corrente continua fornita dalle batterie ad alta tensione (HV) del veicolo nella corrente alternata necessaria al motore elettrico per produrre la coppia che muove il veicolo. Le prestazioni elettriche dell'inverter di trazione hanno un impatto significativo sull'accelerazione e sull'autonomia di guida del veicolo.

Gli inverter di trazione contemporanei sono azionati da sistemi di batterie HV a 400 V o, più recentemente, 800 V. Con correnti di inverter di trazione di 300 A o superiori, un dispositivo alimentato da un sistema di batterie da 800 V è in grado di fornire oltre 200 kW di potenza. Con l'aumento della potenza, le dimensioni degli inverter si sono ridotte, aumentando significativamente la densità di potenza.

I veicoli elettrici con sistemi di batterie a 400 V richiedono inverter di trazione con dispositivi a semiconduttore di potenza da 600 a 750 V, mentre i veicoli a 800 V richiedono dispositivi a semiconduttore da 900 a 1200 V. I componenti di potenza utilizzati negli inverter di trazione devono anche essere in grado di gestire correnti in c.a. di picco di oltre 500 A per 30 secondi e una corrente in c.a. massima di 1600 A per 1 millisecondo. Inoltre, i transistor di commutazione e i gate driver utilizzati per il dispositivo devono essere in grado di gestire questi grandi carichi mantenendo alta l'efficienza dell'inverter di trazione (Tabella 1).

Tabella 1: Requisiti tipici di un inverter di trazione 2021; la densità di energia mostra un aumento del 250% rispetto al 2009. (Immagine per gentile concessione di Steven Keeping)

Un inverter di trazione comprende tipicamente tre elementi a semiponte (interruttori high-side più low-side), uno per ogni fase del motore, con gate driver che controllano la commutazione low-side di ogni transistor. L'intero gruppo deve essere isolato galvanicamente dai circuiti a bassa tensione (LV) che alimentano il resto dei sistemi del veicolo (Figura 1).

Figura 1: Un veicolo elettrico richiede un inverter trifase (inverter di trazione) per convertire la corrente continua ad alta tensione (HV) della batteria nella corrente alternata richiesta dai motori elettrici del veicolo. Il sistema HV, compreso l'inverter di trazione, è isolato dal sistema convenzionale a 12 V del veicolo. (Immagine per gentile concessione di ON Semiconductor)

Gli interruttori nell'esempio della Figura 1 sono IGBT. Questi sono una scelta popolare per un inverter di trazione perché sono in grado di gestire alte tensioni, commutano rapidamente, offrono una buona efficienza e sono relativamente economici. Tuttavia, poiché il costo dei MOSFET di potenza SiC è sceso e sono diventati più disponibili in commercio, gli ingegneri stanno optando per questi componenti visti i loro notevoli vantaggi rispetto agli IGBT.

Vantaggio dei MOSFET SiC per gate driver ad alta efficienza

I vantaggi chiave delle prestazioni dei MOSFET di potenza SiC rispetto ai tradizionali MOSFET e IGBT al silicio (Si) derivano dal substrato semiconduttore WBG dei dispositivi. I MOSFET Si hanno un'energia di bandgap di 1,12 eV rispetto ai MOSFET SiC di 3,26 eV. Ciò significa che il transistor WBG può resistere a tensioni di rottura molto più elevate rispetto ai dispositivi Si, così come a una tensione di campo di rottura risultante circa dieci volte superiore a quella del Si. L'alta tensione di campo di rottura permette di ridurre lo spessore del dispositivo per una data tensione, abbassando la resistenza "On" (RDSOn) e quindi riducendo le perdite di commutazione e migliorando la capacità di trasporto della corrente.

Un altro vantaggio chiave del SiC è la sua conducibilità termica, pari a circa tre volte quella del Si. Una maggiore conducibilità termica si traduce in un minor aumento della temperatura di giunzione (T_j) per una data dissipazione di potenza. I MOSFET SiC possono anche tollerare una temperatura di giunzione massima più alta (Tj_(max)) rispetto al Si. Un tipico valore di Tj_(max) per un MOSFET Si è di 150 °C; i dispositivi SiC possono sopportare un Tj_(max) fino a 600 °C, anche se i dispositivi commerciali sono in genere classificati a 175 ~ 200 °C. La Tabella 2 fornisce un confronto delle proprietà tra Si e 4H-SiC (la forma cristallina di SiC comunemente usata per produrre i MOSFET).

Tabella 2: Il campo di rottura, la conducibilità termica e la massima temperatura di giunzione di un MOSFET SiC lo rendono una scelta migliore del Si per applicazioni di commutazione ad alta corrente e alta tensione. (Immagine per gentile concessione di ON Semiconductor)

L'alta tensione di rottura, la bassa RDSOn, l'alta conducibilità termica e l'alta Tj_(max) permettono a un MOSFET SiC di gestire una corrente e una tensione molto più alte di un MOSFET Si di dimensioni simili.

Gli IGBT sono anche in grado di gestire tensioni e correnti elevate e tendono ad essere meno costosi dei MOSFET SiC - una ragione fondamentale per cui sono preferiti nei progetti di inverter di trazione. Lo svantaggio degli IGBT, in particolare quando lo sviluppatore desidera massimizzare la densità energetica, è una restrizione sulla massima frequenza operativa a causa della loro "corrente di coda" e del loro spegnimento relativamente lento. Al contrario, un MOSFET SiC è in grado di gestire la commutazione ad alta frequenza alla pari con un MOSFET Si, ma con la capacità di gestire la tensione e la corrente come un IGBT.

Più ampia disponibilità di MOSFET SiC

Fino a poco tempo fa, il prezzo relativamente alto dei MOSFET SiC ne ha limitato l'uso agli inverter di trazione per i veicoli elettrici di lusso, ma i prezzi in discesa hanno fatto dei MOSFET SiC un'opzione più interessante su larga scala.

Due esempi di questa nuova generazione di MOSFET di potenza SiC vengono da ON Semiconductor: NTBG020N090SC1 e NTBG020N120SC1. La differenza principale tra i dispositivi è che il primo ha una tensione massima di rottura drain/source (V_(BR)DSS) di 900 V, con una tensione gate/source (V_GS) di 0 V e una corrente di drain continuo (I_D) di 1 mA, mentre il secondo ha una V_(BR)DSSmassima di 1200 V (a parità di condizioni). La T_j massima di entrambi i dispositivi è 175 °C. Entrambi i dispositivi sono MOSFET a canale N singolo in un contenitore D2PAK-7L (Figura 2).

Figura 2: I MOSFET di potenza SiC a canale N NTBG020N090SC1 e NTBG020N120SC1 sono disponibili in un contenitore D2PAK-7L e differiscono principalmente nei loro valori V_(BR)DSS di 900 e 1200 V rispettivamente. (Immagine per gentile concessione di Steven Keeping, su materiale di ON Semiconductor)

NTBG020N090SC1 ha una RDSOn di 20 mΩ con una V_GS di 15 V (I_D = 60 A, T_j = 25 °C) e una RDSOn di 16 mΩ con una V_GS di 18 V (I_D = 60 A, T_j = 25 °C). La massima corrente diretta del diodo drain/source (I_SD) è 148 A (V_GS = -5 V, T_j = 25 °C) e la massima corrente diretta del diodo drain/source pulsato (I_SDM) è 448 A (V_GS = -5 V, T_j = 25 °C). NTBG020N120SC1 ha una RDSOn di 28 mΩ a V_GS di 20 V (I_D = 60 A, T_j = 25 °C). La I_SD massima è 46 A (V_GS = -5 V, T_j = 25 °C) e la massima I_SDM è 392 A (V_GS = -5 V, T_j = 25 °C).

Progettare con i MOSFET SiC

Nonostante i loro vantaggi, i progettisti che cercano di incorporare i MOSFET SiC negli inverter di trazione dovrebbero sapere di una complicazione significativa: i transistor hanno requisiti difficili di pilotaggio del gate. Alcune di queste sfide derivano dal fatto che rispetto ai MOSFET Si, i MOSFET SiC presentano una transconduttanza inferiore, una resistenza di gate interna più alta e la soglia di accensione del gate può essere inferiore a 2 V. Di conseguenza, il gate deve essere portato sotto il livello di massa (tipicamente a -5 V) durante lo stato spento, per assicurare una corretta commutazione.

Tuttavia, la sfida chiave di pilotaggio del gate deriva dal fatto che deve essere applicata una grande V_GS (fino a 20 V) per garantire una RDSOn bassa. Il funzionamento di un MOSFET SiC a una V_GS troppo bassa può provocare stress termico o addirittura un guasto a causa della dissipazione di potenza (Figura 3).

Figura 3: Per il MOSFET SiC NTBG020N090SC1, è necessaria un'alta V_GS per evitare la sollecitazione termica derivante da una RDSOn alta. (Immagine per gentile concessione di ON Semiconductor)

Inoltre, poiché un MOSFET SiC è un dispositivo a basso guadagno, quando progetta un circuito di pilotaggio del gate il progettista deve tener conto dell'impatto che questo ha su diverse altre importanti caratteristiche dinamiche. Queste caratteristiche includono il plateau di Miller per la carica del gate e il requisito di protezione dalle sovracorrenti.

Queste complicazioni richiedono un gate driver specializzato con i seguenti attributi:

• Una capacità di fornire pilotaggio V_GS da -5 a 20 V per sfruttare al massimo i vantaggi delle prestazioni del MOSFET SiC. Per fornire un sovraccarico adeguato a questo requisito, il circuito di pilotaggio del gate deve essere in grado di resistere a V_DD = 25 V e V_EE = -10 V.
• La V_GS deve avere fronti di salita e discesa veloci, nell'ordine di pochi nanosecondi.
• Il pilotaggio del gate deve poter generare un'elevata corrente di picco del gate, nell'ordine di alcuni ampere, nell'intera regione del plateau di Miller del MOSFET.
• La corrente di drain nominale deve superare quella che sarebbe necessaria per scaricare solo la capacità di ingresso del MOSFET SiC. Una corrente di drain di picco minima nell'ordine di 10 A dovrebbe essere adeguata per topologie di potenza a semiponte ad alte prestazioni.
• Bassa induttanza parassita per la commutazione ad alta velocità.
• Un contenitore compatto per il driver che possa essere posizionato il più vicino possibile al MOSFET SiC per aumentare la densità energetica.
• Una funzione di desaturazione (DESAT) in grado di rilevare, segnalare e proteggere dai guasti per un funzionamento affidabile a lungo termine.
• Un livello di blocco di sottotensione (UVLO) V_DD corrispondente al requisito di V_GS >16 V prima che inizi la commutazione.
• Capacità di monitoraggio UVLO V_EE per assicurare che il rail di tensione negativa sia entro un intervallo accettabile.

ON Semiconductor ha introdotto un gate driver progettato per soddisfare questi requisiti nei progetti di inverter di trazione. Il gate driver con MOSFET SiC NCP51705MNTXG presenta un alto livello di integrazione che lo rende compatibile non solo con i MOSFET SiC dell'azienda, ma anche con quelli di una vasta gamma di altri produttori. Il dispositivo include molte funzioni di base comuni ai gate driver per uso generale, ma presenta anche i requisiti specializzati necessari per progettare un circuito di pilotaggio del gate MOSFET SiC affidabile utilizzando componenti esterni minimi.

Ad esempio, NCP51705MNTXG incorpora una funzione DESAT che può essere implementata utilizzando solo due componenti esterni. DESAT è una forma di protezione da sovracorrente per IGBT e MOSFET per monitorare un guasto per cui V_DS può salire alla massima I_D. Questo può influenzare l'efficienza e, nel peggiore dei casi, danneggiare il MOSFET. La Figura 4 mostra come NCP51750MNTXG monitora la V_DS del MOSFET (Q1) tramite il pin DESAT attraverso R1 e D1.

Figura 4: La funzione DESAT in NCP51705MNTXG misura la V_DS nel caso di un comportamento anomalo durante i periodi di massima I_D e implementa la protezione da sovracorrente. (Immagine per gentile concessione di ON Semiconductor)

Il gate driver NCP51705MNTXG ha anche un UVLO programmabile. Questa è una caratteristica importante quando si pilotano i MOSFET SiC, perché l'uscita della componente di commutazione dovrebbe essere disabilitata finché V_DD non è al di sopra di una soglia nota. Permettere al driver di commutare il MOSFET con una V_DDbassa può danneggiare il dispositivo. L'UVLO programmabile di NCP51705MNTXG non solo protegge il carico ma verifica per il controller che la V_DD applicata sia al di sopra della soglia di accensione. La soglia di accensione UVLO è impostata con un singolo resistore tra UVSET e SGND (Figura 5).

Figura 5: La soglia di accensione UVLO per il MOSFET SiC NCP51705MNTXG è impostata dal resistore UVSET, R_UVSET, scelto in base alla tensione di accensione UVLO desiderata, V_ON. (Immagine per gentile concessione di ON Semiconductor)

Isolamento digitale per gli inverter di trazione

Per completare il progetto di un inverter di trazione, il progettista deve assicurarsi che il lato LV dell'elettronica del veicolo sia isolato dalle alte tensioni e correnti che passano dall'inverter (Figura 2 sopra). Tuttavia, poiché il microprocessore che controlla i gate driver HV è sul lato LV, qualsiasi isolamento deve consentire il passaggio dei segnali digitali dal microprocessore ai gate driver. ON Semiconductor offre un componente anche per questa funzione, NCID9211R2, un isolatore digitale ceramico bidirezionale a due canali e ad alta velocità.

NCID9211R2 è un isolatore digitale full-duplex con isolamento galvanico che permette ai segnali digitali di passare tra i sistemi senza condurre anelli di massa o tensioni pericolose. Il dispositivo è dotato di isolamento massimo operativo di 2000 V_peak, 100 kV/ms di reiezione di modo comune e un throughput dati di 50 Mbps.

I condensatori ceramici off-chip formano la barriera di isolamento come mostrato nella Figura 6.

Figura 6: Diagramma a blocchi che illustra un singolo canale dell'isolatore digitale NCID9211R2. I condensatori off-chip formano la barriera di isolamento. (Immagine per gentile concessione di ON Semiconductor)

I segnali digitali sono trasmessi attraverso la barriera di isolamento usando la modulazione di polarizzazione on-off (OOK). Sul lato trasmettitore, lo stato logico dell'ingresso V_IN è modulato con un segnale portante ad alta frequenza. Il segnale risultante viene amplificato e trasmesso alla barriera di isolamento. Il lato ricevitore rileva il segnale di barriera e lo demodula usando la tecnica di rilevamento dell'inviluppo (Figura 7). Il segnale di uscita determina lo stato logico dell'uscita V_O quando il controllo di abilitazione dell'uscita EN è alto. V_O passa automaticamente a uno stato basso ad alta impedenza quando l'alimentazione del trasmettitore è spenta o l'ingresso V_IN è scollegato.

Figura 7: L'isolatore digitale NCID9211 utilizza la modulazione OOK per trasmettere le informazioni digitali attraverso la barriera di isolamento. (Immagine per gentile concessione di ON Semiconductor)

Conclusione

I MOSFET di potenza SiC sono una buona opzione per gli inverter di trazione ad alta efficienza e ad alta densità di potenza per i veicoli elettrici, ma le loro caratteristiche elettriche comportano sfide progettuali uniche per quanto riguarda i gate driver e la protezione del dispositivo. In aggiunta a queste sfide, i progettisti devono anche garantire che il progetto dell'inverter di trazione offra un isolamento di alto livello dall'elettronica sensibile a bassa tensione del veicolo.

Come mostrato, per facilitare lo sviluppo, ON Semiconductor offre una gamma di MOSFET SiC, gate driver specializzati e isolatori digitali per soddisfare le esigenze degli inverter di trazione e trovare un miglior equilibrio tra lunga autonomia di guida e alte prestazioni per i moderni veicoli elettrici.