Come rendere più efficiente e affidabile l'infrastruttura energetica riducendo i costi

I progettisti di infrastrutture energetiche, dalle stazioni di ricarica per veicoli elettrici (EV), inverter solari, immagazzinaggio dell'energia ai gruppi di continuità, sono sempre sotto pressione per ridurre l'impronta di carbonio, migliorare l'affidabilità e abbassare i costi.

Per raggiungere questi obiettivi, hanno bisogno di capire come ottimizzare le soluzioni di conversione di potenza per ridurre le perdite di conduzione e di commutazione, mantenere buone prestazioni termiche, ridurre il fattore di forma complessivo e ridurre le interferenze elettromagnetiche (EMI). Devono anche assicurarsi che la soluzione scelta sia in grado di soddisfare PPAP (Production Part Approval Process) e sia qualificata ai sensi AEC-Q101.

Per affrontare queste sfide, i progettisti possono scegliere tra svariati MOSFET di potenza in carburo di silicio (SiC), diodi SiC Schottky, circuiti gate driver in CI e moduli di alimentazione.

Questo articolo esamina brevemente come la tecnologia SiC può aumentare l'efficienza e l'affidabilità e ridurre i costi, rispetto ai classici approcci al silicio (Si). Esamina quindi le opzioni di confezionamento e integrazione del sistema per SiC prima di presentare diversi esempi del mondo reale di onsemi e mostrare come possono essere applicati al meglio per ottimizzare le prestazioni dei MOSFET di potenza SiC e gate driver per soddisfare la sfida dell'infrastruttura energetica.

SiC e Si

Il SiC è un materiale con un'ampia banda proibita (WBG), pari a 3,26 eV rispetto a 1,12 eV del Si. Offre anche una capacità di campo di rottura 10 volte superiore, più di 3 volte la conducibilità termica e può funzionare a temperature molto più alte rispetto al Si. Queste specifiche rendono il SiC adatto all'uso nelle applicazioni di infrastruttura energetica (Tabella 1).

Tabella 1: Le proprietà del materiale 4H-SiC rispetto al Si rendono il SiC adatto all'uso nelle applicazioni di infrastruttura energetica. (Immagine per gentile concessione di onsemi)

Il campo di cedimento superiore permette ai dispositivi SiC più sottili di avere la stessa tensione nominale dei dispositivi Si più spessi; i dispositivi SiC più sottili hanno una resistenza nello stato On più bassa e una maggiore capacità di corrente. Il parametro di mobilità del SiC è equivalente al Si, quindi entrambi i materiali sono utilizzabili nella conversione di potenza ad alta frequenza, che supporta fattori di forma compatti. La loro maggiore conducibilità termica significa che i dispositivi SiC sono soggetti un aumento di temperatura inferiore a livelli di corrente più elevati. La temperatura di funzionamento dei dispositivi SiC è limitata da fattori di confezionamento come i fili saldati, non dalle caratteristiche del materiale SiC. Di conseguenza, la selezione dello stile di confezionamento ottimale è una considerazione importante nell'uso del SiC.

Le caratteristiche del materiale SiC lo rendono una scelta superiore per molti progetti di conversione di potenza ad alta tensione, alta velocità, alta corrente e alta densità. In molti casi, la domanda non è se usare il SiC, ma quale tecnologia di incapsulamento SiC fornisce i migliori compromessi di prestazioni e costo.

I progettisti hanno tre scelte di confezionamento di base quando usano la tecnologia di potenza SiC: dispositivi discreti, moduli di alimentazione intelligenti (IPM) o moduli di alimentazione integrati (PIM); ognuno di questi offre una serie unica di compromessi di costi e prestazioni (Tabella 2). Ad esempio:

• I dispositivi discreti sono generalmente preferiti quando il costo è una considerazione primaria, come per le applicazioni consumer. Supportano anche la doppia sorgente e hanno una lunga vita utile.
• Le soluzioni IPM riducono il tempo di progettazione, hanno la massima affidabilità e sono le soluzioni più compatte per livelli di potenza moderati.
• I PIM possono supportare progetti di maggiore potenza con buone densità di potenza, un time-to-market ragionevolmente veloce, un'ampia varietà di opzioni di progettazione e più opportunità per la doppia sorgente rispetto agli IPM.

Tabella 2: Confronto delle caratteristiche di integrazione e dei compromessi nella scelta tra soluzioni di incapsulamento SiC discrete, IPM e PIM. (Immagine per gentile concessione di onsemi)

IPM ibridi Si/SiC

Mentre è possibile sviluppare soluzioni usando solo dispositivi SiC, a volte è più conveniente usare soluzioni ibride Si/SiC. Ad esempio, l'IPM ibrido NFL25065L4BT di onsemi combina IGBT Si di quarta generazione con un diodo boost SiC in uscita per formare uno stadio di ingresso con correzione del fattore di potenza (PFC) interleaved per applicazioni consumer, industriali e medicali (Figura 1). Questo IPM compatto include un gate driver ottimizzato per gli IGBT per minimizzare le EMI e le perdite. Le caratteristiche di protezione integrate includono il blocco di sottotensione, l'arresto per sovracorrente, il monitoraggio termico e la segnalazione dei guasti. Altre caratteristiche di NFL25065L4BT includono:

• PFC bifase interleaved 600 V/50 A
• Ottimizzato per una frequenza di commutazione di 20 kHz
• Bassa resistenza termica utilizzando il substrato DBC (Direct Bond Copper) in ossido di alluminio
• Termistore integrato a coefficiente di temperatura negativo (NTC) per il monitoraggio della temperatura
• Isolamento di 2500 V rms (valore quadratico medio)/1 minuto
• Certificazione UL

Figura 1: L'IPM NFL25065L4BT forma uno stadio PFC interleaved utilizzando IGBT Si di quarta generazione con un diodo boost SiC in uscita. (Immagine per gentile concessione di onsemi)

PIM SiC

Per gli inverter solari, le stazioni di ricarica EV e applicazioni simili che possono beneficiare dell'uso di un PIM basato su SiC per massimizzare l'erogazione di potenza con un ingombro ridotto e un minore volume complessivo, i progettisti possono rivolgersi al modello NXH006P120MNF2PTG. Questo dispositivo comprende un semiponte MOSFET SiC da 6 mΩ, 1200 V e un termistore NTC integrato in un contenitore F2 (Figura 2). Le opzioni del contenitore includono:

• Con o senza materiale di interfaccia termica (TIM) pre-applicato
• Pin saldabili o per inserimento a pressione

Figura 2: Il modulo di alimentazione integrato NXH006P120MNF2PTG è fornito in un contenitore F2 con pin a pressione. (Immagine per gentile concessione di onsemi)

Questi IPM hanno una massima temperatura di funzionamento della giunzione di 175 °C e richiedono un controllo esterno e un gate driver. La tecnologia opzionale di inserimento a pressione, chiamata anche saldatura a freddo, fornisce una connessione affidabile tra i pin e i fori passanti placcati sulla scheda CS. L'inserimento a pressione semplifica l'assemblaggio senza saldature e produce una connessione metallo-metallo a tenuta di gas e a bassa resistenza.

Diodi Schottky SiC

I diodi SiC Schottky possono essere utilizzati in combinazione con gli IPM o in progetti discreti al 100% e forniscono migliori prestazioni di commutazione e maggiore affidabilità rispetto ai diodi Si. I diodi SiC Schottky, come NDSH25170A a 1700 V/25 A, hanno zero corrente di recupero inverso, eccellenti prestazioni termiche e caratteristiche di commutazione indipendenti dalla temperatura. Ciò si traduce in una maggiore efficienza, frequenze di commutazione superiori, densità di potenza più elevate, EMI più basse e un facile parallelismo, che contribuiscono a ridurre le dimensioni e i costi della soluzione (Figura 3). Le caratteristiche di NDSH25170A includono:

• Temperatura di giunzione massima: 175 °C
• 506 mJ nominali a valanga
• Sovracorrenti transitorie non ripetitiva fino a 220 A e ripetitive fino a 66 A
• Coefficiente di temperatura positivo
• Nessun recupero inverso e nessun recupero diretto
• Qualificazione AEC-Q101 e capacità PPAP

Figura 3: Il diodo Schottky SiC a 1700 V/25 A NDSH25170A ha zero corrente di recupero inverso, prestazioni termiche eccellenti e caratteristiche di commutazione indipendenti dalla temperatura. (Immagine per gentile concessione di onsemi)

MOSFET SiC discreti

I progettisti possono combinare gli Schottky SiC discreti con i MOSFET SiC da 1200 V di onsemi, che hanno anche prestazioni di commutazione superiori, resistenza nello stato On inferiore e una maggiore affidabilità rispetto ai dispositivi Si. La dimensione compatta del chip dei MOSFET SiC produce una bassa capacità elettrica e carica di gate. In combinazione con la loro bassa resistenza nello stato On, la capacità e la carica di gate più basse aiutano ad aumentare l'efficienza del sistema, permettono frequenze di commutazione superiori, aumentano le densità di potenza, abbassano le interferenze elettromagnetiche (EMI) e creano soluzioni dai fattori di forma più compatti. Ad esempio, NTBG040N120SC1 è classificato per 1200 V e 60 A ed è disponibile in un contenitore a montaggio superficiale D2PAK-7L (Figura 4). Le caratteristiche includono:

• Carica del gate tipica di 106 nC
• Capacità di uscita tipica di 139 pF
• Test a valanga al 100%
• Funzionamento con una temperatura di giunzione di 175 °C
• Qualifica AEC-Q101

Figura 4: Il MOSFET SiC NTBG040N120SC1 è classificato per 1200 V/60 A, ha una resistenza nello stato On di 40 mΩ ed è fornito in un contenitore a montaggio superficiale D2PAK-7L. (Immagine per gentile concessione di onsemi)

Gate driver per MOSFET SiC

I gate driver per i MOSFET SiC, come la linea NCx51705 di onsemi, forniscono una tensione di comando più alta rispetto ai driver per i MOSFET Si. È richiesta una tensione di gate da 18 a 20 V per accendere completamente un MOSFET SiC rispetto a meno di 10 V necessari per accendere un MOSFET Si. Inoltre, i MOSFET SiC richiedono da -3 a -5 V per il pilotaggio del gate quando si spegne il dispositivo. I progettisti possono utilizzare il driver low-side, singolo 6 A ad alta velocità NCP51705MNTXG ottimizzato per i MOSFET SiC (Figura 5). NCP51705MNTXG fornisce la tensione nominale massima di comando per le basse perdite di conduzione e fornisce alte correnti di picco durante l'accensione e lo spegnimento per minimizzare le perdite di commutazione.

Figura 5: Schema semplificato che mostra due driver in CI NCP51705MNTXG (al centro a destra) che comandano due MOSFET SiC (a destra) in una topologia a semiponte. (Immagine per gentile concessione di onsemi)

I progettisti possono utilizzare la pompa di carica integrata per generare un rail di tensione negativa selezionabile dall'utente e fornire una maggiore affidabilità, una migliore immunità dV/dt e uno spegnimento più veloce. Nei progetti isolati, un rail a 5 V accessibile dall'esterno può alimentare il lato secondario di optoisolatori digitali o ad alta velocità. Le funzioni di protezione in NCP51705MNTXG includono l'arresto termico basato sulla temperatura di giunzione del circuito di pilotaggio e il monitoraggio del blocco di sottotensione dell'alimentazione di polarizzazione.

Considerazioni sulla scheda di valutazione e sul pilotaggio del gate SiC

Per accelerare il processo di valutazione e progettazione, i progettisti possono usare la scheda di valutazione (EVB) NCP51705SMDGEVB per NCP51705 (Figura 6). L'EVB include un driver NCP51705 e tutti i circuiti necessari, compreso un isolatore digitale e la possibilità di saldare qualsiasi MOSFET SiC o Si in un contenitore TO-247. L'EVB è progettata per l'uso in qualsiasi applicazione di commutazione di potenza low-side o high-side. Due o più di queste EVB possono essere configurate in un'unità totem pole.

Figura 6: L'EVB NCP51705SMDGEVB presenta dei fori (in alto a sinistra) per collegare un MOSFET di potenza SiC o Si e include il driver NCP51705 (U1, al centro a sinistra) e l'isolatore digitale in CI (al centro a destra). (Immagine per gentile concessione di onsemi)

La riduzione al minimo dell'induttanza parassita e della capacità elettrica della scheda CS è importante quando si usa il gate driver NCP51705 con un MOSFET SiC (Figura 7). Alcune considerazioni sul layout della scheda CS includono:

• NCP51705 deve essere il più vicino possibile al MOSFET SiC, con particolare attenzione a tracce corte tra VDD, SVDD, V5V, pompa di carica e condensatore VEE e il MOSFET.
• La traccia tra VEE e PGND deve essere la più corta possibile.
• Deve esserci separazione tra le tracce ad alto dV/dt e l'ingresso del driver e il DESAT per evitare un funzionamento anomalo risultante dall'accoppiamento del rumore.
• Per i progetti ad alta temperatura, i fori di via termici devono essere usati tra la piazzola esposta e lo strato esterno per minimizzare l'impedenza termica.
• Si devono utilizzare tracce larghe per OUTSRC, OUTSNK e VEE.

Figura 7: Layout consigliato della scheda CS per NCP51705 per ridurre al minimo l'induttanza parassita e la capacità elettrica per pilotare i MOSFET SiC. (Immagine per gentile concessione di onsemi)

Conclusione

Il SiC riveste un ruolo importante per aiutare i progettisti a soddisfare le richieste di un numero e una varietà crescenti di applicazioni di infrastruttura energetica. I progettisti possono ora utilizzare i dispositivi SiC per progetti di conversione di potenza ad alta tensione, alta velocità e alta corrente più efficienti, che si traducono in soluzioni di dimensioni più compatte e densità di potenza più elevate. Tuttavia, la selezione dello stile di confezionamento ottimale è importante per trarre il massimo beneficio dalla progettazione con il SiC.

Come mostrato, va considerata tutta una serie di compromessi in termini di prestazioni, time-to-market e costo quando si sceglie tra dispositivi discreti, IPM e PIM. Inoltre, quando si usano dispositivi discreti o PIM, la selezione del gate driver SiC e del layout ottimale della scheda CS sono cruciali per prestazioni di sistema affidabili ed efficienti.

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