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Wie man mit SiC-MOSFETs den Wirkungsgrad von EV-Antriebsumrichtern verbessert
Zur Verfügung gestellt von Nordamerikanische Fachredakteure von Digi-Key
2021-07-28
Ingenieure haben ständig den Kompromiss zwischen Leistung und Reichweite moderner Elektrofahrzeuge (EVs) vor Augen. Schnellere Beschleunigung und höhere Reisegeschwindigkeiten erfordern häufigere und zeitaufwändige Nachladestopps. Eine größere Reichweite kann wiederum mit einem langsameren Tempo erkauft werden. Um die Reichweite zu erhöhen und dem Fahrer gleichzeitig eine höhere Leistung zu bieten, müssen die Ingenieure Antriebsstränge entwickeln, die sicherstellen, dass so viel Energie wie möglich von der Batterie auf die angetriebenen Räder übertragen wird. Ebenso wichtig ist die Notwendigkeit, die Antriebsstränge so klein zu halten, dass sie in das Fahrzeug passen. Diese doppelte Anforderung erfordert sowohl Komponenten mit hohem Wirkungsgrad als auch mit hoher Energiedichte.
Die Schlüsselkomponente in einem EV-Antriebsstrang ist der dreiphasige Spannungwechselrichter (oder „Antriebsumrichter“), der die Gleichspannung der Batterien in die für den/die Elektromotor(en) des Fahrzeugs erforderliche Wechselspannung umwandelt. Die Entwicklung eines effizienten Antriebsumrichters ist entscheidend, um den Kompromiss zwischen Leistung und Reichweite zu verringern. Einer der Schlüssel zur Verbesserung des Wirkungsgrads ist die richtige Verwendung von Siliziumkarbid-Halbleiterbauelementen mit breiter Bandlücke (WBG).
Dieser Artikel beschreibt die Rolle des EV-Antriebsumrichters. Anschließend wird erläutert, wie die Konstruktion der Einheit mit SiC-Leistungs-MOSFETs zu einem effizienteren EV-Antriebsstrang führen kann als ein solcher mit Isolierschicht-Bipolartransistoren (IGBTs). Der Artikel schließt mit einem Beispiel für einen SiC-MOSFET-basierten Antriebsumrichter und Tipps zur Maximierung des Wirkungsgrads.
Was ist ein Antriebsumrichter?
Der Antriebsumrichter eines Elektrofahrzeugs wandelt den von den Hochspannungsbatterien des Fahrzeugs gelieferten Gleichstrom in den Wechselstrom um, den der Elektromotor benötigt, um das für die Fortbewegung des Fahrzeugs erforderliche Drehmoment zu erzeugen. Die elektrische Leistung des Antriebsumrichters hat einen erheblichen Einfluss auf die Fahrzeugbeschleunigung und die Reichweite.
Moderne Antriebsumrichter werden von Hochspannungsbatteriesystemen mit 400 Volt oder neuerdings auch mit 800 Volt betrieben. Bei einem Antriebsumrichterstrom von 300 Ampere (A) oder mehr kann ein Gerät, das von einem 800-Volt-Batteriesystem gespeist wird, eine Leistung von über 200 Kilowatt (kW) erbringen. Da die Leistung gestiegen ist, ist die Größe der Wechselrichter geschrumpft, was die Leistungsdichte deutlich erhöht hat.
Elektrofahrzeuge mit 400-Volt-Batteriesystemen benötigen Antriebsumrichter mit Leistungshalbleitern im 600- bis 750-Volt-Bereich, während 800-Volt-Fahrzeuge Halbleiterkomponenten für den Bereich von 900 bis 1200 Volt benötigen. Die in den Antriebsumrichtern verwendeten Leistungskomponenten müssen außerdem Wechselstromspitzen von über 500 A für 30 Sekunden (s) und einen maximalen Wechselstrom von 1600 A für 1 Millisekunde (ms) bewältigen können. Außerdem müssen die für die Komponente verwendeten Schalttransistoren und Gate-Treiber in der Lage sein, diese großen Lasten zu bewältigen und gleichzeitig einen hohen Wirkungsgrad des Antriebsumrichters zu gewährleisten (Tabelle 1).
Tabelle 1: Typische Anforderungen an Antriebsumrichter im Jahr 2021; die Energiedichte ist im Vergleich zu 2009 um 250 % gestiegen. (Bildquelle: Steven Keeping)
Ein Antriebsumrichter umfasst in der Regel drei Halbbrückenelemente (High-Side- und Low-Side-Schalter), eines für jede Motorphase, wobei Gate-Treiber die Low-Side-Schaltung jedes Transistors steuern. Die gesamte Baugruppe muss von den Niederspannungsstromkreisen, die die übrigen Systeme des Fahrzeugs versorgen, galvanisch getrennt sein (Abbildung 1).
Abbildung 1: Ein Elektrofahrzeug benötigt einen dreiphasigen Spannungswechselrichter (Antriebsumrichter), um Hochspannungs-Gleichstrom aus der Batterie in den für den/die Elektromotor(en) des Fahrzeugs erforderlichen Wechselstrom umzuwandeln. Das HV-System, einschließlich des Antriebsumrichters, ist vom herkömmlichen 12-Volt-System des Fahrzeugs isoliert. (Bildquelle: ON Semiconductor)
Die Schalter in dem in Abbildung 1 dargestellten Beispiel sind IGBTs. Diese sind eine beliebte Wahl für einen Antriebsumrichter, da sie hohe Spannungen verarbeiten können, schnell schalten, einen guten Wirkungsgrad haben und relativ preiswert sind. Da die Kosten für SiC-Leistungs-MOSFETs jedoch gesunken sind und sie nun in größerem Umfang im Handel erhältlich sind, wenden sich die Ingenieure diesen Bauteilen zu, da sie deutliche Vorteile gegenüber IGBTs aufweisen.
Vorteile von SiC-MOSFETs für hocheffiziente Gate-Treiber
Die wichtigsten Leistungsvorteile von SiC-Leistungs-MOSFETs gegenüber herkömmlichen Silizium-MOSFETs und IGBTs ergeben sich aus dem WBG-Halbleitersubstrat der Bauelemente. Si-MOSFETs haben eine Bandlückenenergie von 1,12 Elektronenvolt (eV) im Vergleich zu 3,26 eV bei SiC-MOSFETs. Das bedeutet, dass der WBG-Transistor wesentlich höheren Durchbruchsspannungen standhalten kann als Si-Bauelemente und dass die resultierende Durchbruchsspannung etwa zehnmal höher ist als bei Si. Die hohe Durchbruchsspannung ermöglicht eine Verringerung der Dicke des Bauelements bei einer gegebenen Spannung, wodurch der Durchlasswiderstand (RDS(ON)) gesenkt und somit die Schaltverluste verringert und die Strombelastbarkeit verbessert wird.
Ein weiterer wichtiger Vorteil von SiC ist seine Wärmeleitfähigkeit, die etwa dreimal höher ist als die von Si. Eine höhere Wärmeleitfähigkeit führt zu einem geringeren Anstieg der Sperrschichttemperatur (Tj) bei einer bestimmten Verlustleistung. SiC-MOSFETs können auch eine höhere maximale Sperrschichttemperatur (Tj(max)) vertragen als Si. Eine typische Tj(max) für einen Si-MOSFET liegt bei 150˚C; SiC-Bauelemente können einer Tj(max) von bis zu 600˚C standhalten, obwohl handelsübliche Bauelemente in der Regel mit 175˚C bis 200˚C ausgelegt sind. Tabelle 2 enthält einen Vergleich der Eigenschaften von Si und 4H-SiC (die kristalline Form von SiC, die üblicherweise zur Herstellung von MOSFETs verwendet wird).
Tabelle 2: Aufgrund des Durchbruchfelds, der Wärmeleitfähigkeit und der maximalen Sperrschichttemperatur ist ein SiC-MOSFET für Hochstrom- und Hochspannungsschaltanwendungen besser geeignet als Si. (Bildquelle: ON Semiconductor)
Die hohe Durchbruchspannung, der niedrige RDS(ON), die hohe Wärmeleitfähigkeit und die hohe Tj(max) ermöglichen es einem SiC-MOSFET, wesentlich höhere Ströme und Spannungen zu verarbeiten als ein Si-MOSFET ähnlicher Größe.
IGBTs können ebenfalls hohe Spannungen und Ströme verarbeiten und sind in der Regel preiswerter als SiC-MOSFETs - ein Hauptgrund dafür, dass sie in Umrichterkonstruktionen für die Bahntechnik eingesetzt werden. Der Nachteil von IGBTs, insbesondere wenn der Entwickler die Energiedichte maximieren möchte, ist die Beschränkung der maximalen Betriebsfrequenz aufgrund des „Schwanzstroms“ und der relativ langsamen Abschaltung. Im Gegensatz dazu ist ein SiC-MOSFET in der Lage, Hochfrequenzschaltungen auf dem Niveau eines Si-MOSFETs zu bewältigen, jedoch mit der Spannungs- und Strombelastbarkeit eines IGBTs.
Breitere Verfügbarkeit von SiC-MOSFETs
Bis vor kurzem waren SiC-MOSFETs aufgrund ihres relativ hohen Preises auf Antriebsumrichter für Luxus-EVs beschränkt, doch dank sinkender Preise werden SiC-MOSFETs nun für eine breitere Palette von Anwendungen eingesetzt.
Zwei Beispiele für diese neue Generation von SiC-Leistungs-MOSFETs kommen von ON Semiconductor: der NTBG020N090SC1 und der NTBG020N120SC1. Der Hauptunterschied zwischen den Bauelementen besteht darin, dass das erste Bauelement eine maximale Drain-Source-Durchbruchsspannung (V(BR)DSS) von 900 Volt bei einer Gate-Source-Spannung (VGS) von 0 Volt und einem kontinuierlichen Drainstrom (ID) von 1 Milliampere (mA) aufweist, während das zweite Bauelement eine maximale V(BR)DSS von 1200 Volt (unter den gleichen Bedingungen) bietet. Die maximale Tj für beide Komponenten beträgt 175˚C. Bei beiden Bauelementen handelt es sich um einzelne n-Kanal-MOSFETs in einem D2PAK-7L-Gehäuse (Abbildung 2).
Abbildung 2: Die N-Kanal-SiC-Leistungs-MOSFETs NTBG020N090SC1 und NTBG020N120SC1 sind beide in einem D2PAK-7L-Gehäuse untergebracht und unterscheiden sich hauptsächlich durch ihre V(BR)DSS-Werte von 900 bzw. 1200 Volt. (Bildquelle: Steven Keeping, unter Verwendung von Material von ON Semiconductor)
Der NTBG020N090SC1 hat einen RDS(ON) von 20 Milliohm (mΩ) bei einer VGS von 15 Volt (ID = 60 A, Tj = 25˚C), und einen RDS(ON) von 16 mΩ bei einer VGS von 18 Volt (ID = 60 A, Tj = 25˚C). Der maximale kontinuierliche Drain-Source-Dioden-Durchlassstrom (ISD) beträgt 148 A (VGS = -5 Volt, Tj = 25˚C), der maximale gepulste Drain-Source-Dioden-Durchlassstrom (ISDM) beträgt 448 A (VGS = -5 Volt, Tj = 25˚C). Der NTBG020N120SC1 hat einen RDS(ON) von 28 mΩ bei einer VGS von 20 Volt (ID = 60 A, Tj = 25˚C). Der maximale ISD beträgt 46 A (VGS = -5 Volt, Tj = 25˚C), der maximale ISDM 392 A (VGS = -5 Volt, Tj = 25˚C).
Entwicklung mit SiC-MOSFETs
Trotz ihrer Vorteile sollten Entwickler, die SiC-MOSFETs in ihre Antriebsumrichter-Designs einbauen wollen, sich einer erheblichen Komplikation bewusst sein: Die Transistoren haben schwierige Gate-Ansteuerungsanforderungen. Einige dieser Herausforderungen ergeben sich aus der Tatsache, dass SiC-MOSFETs im Vergleich zu Si-MOSFETs eine geringere Transkonduktanz und einen höheren Gate-Innenwiderstand aufweisen und die Gate-Einschaltschwelle weniger als 2 Volt betragen kann. Daher muss das Gate im Aus-Zustand unter Masse gezogen werden (in der Regel auf -5 Volt), um ein ordnungsgemäßes Schalten zu gewährleisten.
Die größte Herausforderung bei der Gate-Ansteuerung ist jedoch die Tatsache, dass eine hohe VGS (bis zu 20 Volt) angelegt werden muss, um einen niedrigen RDS(ON) zu gewährleisten. Der Betrieb eines SiC-MOSFET bei einer zu niedrigen VGS kann zu thermischer Belastung oder sogar zum Ausfall aufgrund von Verlustleistung führen (Abbildung 3).
Abbildung 3: Für den SiC-MOSFET NTBG020N090SC1 ist eine hohe VGS erforderlich, um thermischen Stress durch einen hohen RDS(ON) zu vermeiden. (Bildquelle: ON Semiconductor)
Da es sich bei einem SiC-MOSFET um ein Bauelement mit geringer Verstärkung handelt, muss der Entwickler beim Entwurf einer Gate-Ansteuerungsschaltung außerdem die Auswirkungen auf mehrere andere wichtige dynamische Eigenschaften berücksichtigen. Zu diesen Merkmalen gehören das Miller-Plateau der Gate-Ladung und die Notwendigkeit eines Überstromschutzes.
Diese Designkomplikationen erfordern einen speziellen Gate-Treiber mit den folgenden Eigenschaften:
- Die Fähigkeit, eine VGS-Ansteuerung von -5 bis 20 Volt bereitzustellen, um die Leistungsvorteile der SiC-MOSFETs voll auszunutzen. Um diese Anforderung zu erfüllen, sollte die Gate-Treiberschaltung VDD = 25 Volt und VEE = -10 Volt standhalten können.
- VGS muss schnelle Anstiegs- und Abfallflanken in der Größenordnung von einigen Nanosekunden (ns) aufweisen.
- Der Gate-Treiber muss in der Lage sein, einen hohen Gate-Spitzenstrom in der Größenordnung von mehreren Ampere über den gesamten Miller-Plateau-Bereich des MOSFET zu liefern.
- Der Nennwert der Stromsenke sollte den Wert übersteigen, der erforderlich wäre, um die Eingangskapazität des SiC-MOSFETs zu entladen. Für leistungsstarke Halbbrücken-Leistungstopologien sollte ein minimaler Spitzen-Senkenstrom in der Größenordnung von 10 A in Betracht gezogen werden.
- Geringe parasitäre Induktivität für hohe Schaltgeschwindigkeiten.
- Kleines Treibergehäuse, das so nah wie möglich am SiC-MOSFET platziert werden kann und die Energiedichte erhöht.
- Eine Entsättigungsfunktion (DESAT) mit Erkennung, Fehlermeldung und Schutz für einen langfristig zuverlässigen Betrieb.
- Ein VDD-Unterspannungsabschaltpegel (UVLO), der an die Anforderung angepasst ist, dass VGS > 16 Volt beträgt, bevor das Schalten beginnt.
- VEE-UVLO-Überwachungsfunktion, um sicherzustellen, dass die negative Spannungsschiene innerhalb eines akzeptablen Bereichs liegt.
ON Semiconductor hat einen Gate-Treiber vorgestellt, der diese Anforderungen bei der Entwicklung von Antriebsumrichtern erfüllt. Der SiC-MOSFET-Gate-Treiber NCP51705MNTXG zeichnet sich durch einen hohen Integrationsgrad aus, der ihn nicht nur mit den eigenen SiC-MOSFETs, sondern auch mit denen einer Vielzahl von Herstellern kompatibel macht. Der Baustein enthält viele grundlegende Funktionen, die für allgemeine Gate-Treiber üblich sind, bietet aber auch die speziellen Anforderungen, die für die Entwicklung einer zuverlässigen SiC-MOSFET-Gate-Treiberschaltung mit minimalen externen Komponenten erforderlich sind.
Der NCP51705MNTXG verfügt beispielsweise über eine DESAT-Funktion, die mit nur zwei externen Komponenten implementiert werden kann. DESAT ist eine Form des Überstromschutzes für IGBTs und MOSFETs zur Überwachung eines Fehlers, bei dem VDS bei maximaler ID ansteigen kann. Dies kann den Wirkungsgrad beeinträchtigen und im schlimmsten Fall den MOSFET beschädigen. Abbildung 4 zeigt, wie der NCP51750MNTXG die VDS des MOSFET (Q1) über den DESAT-Pin durch R1 und D1 überwacht.
Abbildung 4: Die DESAT-Funktion des NCP51705MNTXG misst VDS auf anormales Verhalten während der Perioden mit maximaler ID und implementiert einen Überstromschutz. (Bildquelle: ON Semiconductor)
Der NCP51705MNTXG-Gate-Treiber verfügt außerdem über eine programmierbare UVLO-Funktion. Dies ist ein wichtiges Merkmal bei der Ansteuerung von SiC-MOSFETs, da der Ausgang des Schaltbauteils deaktiviert werden sollte, bis VDD über einem bekannten Schwellenwert liegt. Wenn der Treiber den MOSFET bei niedrigem VDD schalten kann, kann die Komponente beschädigt werden. Die programmierbare UVLO-Funktion des NCP51705MNTXG schützt nicht nur die Last, sondern bestätigt dem Controller auch, dass der angelegte VDD-Wert oberhalb der Einschaltschwelle liegt. Die UVLO-Einschaltschwelle wird mit einem einzigen Widerstand zwischen UVSET und SGND eingestellt (Abbildung 5).
Abbildung 5: Die UVLO-Einschaltschwelle für den SiC-MOSFET NCP51705MNTXG wird durch den UVSET-Widerstand RUVSET eingestellt, der entsprechend der gewünschten UVLO-Einschaltspannung VON gewählt wird. (Bildquelle: ON Semiconductor)
Digitale Isolierung für Antriebsumrichter
Um den Entwurf eines Antriebsumrichters abzuschließen, muss der Ingenieur sicherstellen, dass die Niederspannungsseite (LV) der Fahrzeugelektronik von den hohen Spannungen und Strömen, die durch den Wechselrichter fließen, isoliert ist (Abbildung 2 oben). Da sich der Mikroprozessor, der die Hochspannungs-Gate-Treiber steuert, jedoch auf der Niederspannungsseite befindet, muss jede Isolierung den Durchgang von digitalen Signalen vom Mikroprozessor zu den Gate-Treibern ermöglichen. ON Semiconductor bietet auch einen Baustein für diese Funktion an, den NCID9211R2, einen bidirektionalen keramischen Highspeed-Digitalisolator mit zwei Kanälen.
Der NCID9211R2 ist ein galvanisch getrennter, digitaler Vollduplex-Isolator, der es ermöglicht, digitale Signale zwischen Systemen zu übertragen, ohne dass Erdschleifen oder gefährliche Spannungen entstehen. Die Komponente verfügt über eine maximale Arbeitsisolation von 2000 VSpitze, 100 Kilovolt/Millisekunde (kV/ms) Gleichtaktunterdrückung und einen Datendurchsatz von 50 Megabit pro Sekunde (Mbit/s).
Externe (Off-Chip-) Keramikkondensatoren bilden die Isolationsbarriere wie in Abbildung 6 dargestellt
Abbildung 6: Blockdiagramm für einen einzelnen Kanal des digitalen Isolators NCID9211R2. Externe (Off-Chip-) Keramikkondensatoren bilden die Isolationsbarriere. (Bildquelle: ON Semiconductor)
Die Digitalsignale werden mit einer OOK-Modulation (ON-OFF-Keying) über die Isolationsbarriere übertragen. Auf der Senderseite wird der logische Zustand des VIN-Eingangs mit einem hochfrequenten Trägersignal moduliert. Das resultierende Signal wird verstärkt und an die Isolationsbarriere übertragen. Die Empfängerseite detektiert das Barrieresignal und demoduliert es mit einem Hüllkurvenerkennungsverfahren (Abbildung 7). Das Ausgangssignal bestimmt den logischen Zustand des VO-Ausgangs, wenn die Ausgangsfreigabesteuerung EN auf High-Pegel liegt ist. VO geht standardmäßig in einen hochohmigen Low-Zustand über, wenn die Spannungsversorgung des Senders ausgeschaltet oder der VIN-Eingang getrennt ist.
Abbildung 7: Der digitale Isolator NCID9211 verwendet OOK-Modulation, um digitale Informationen über die Isolationsbarriere hinweg zu übertragen. (Bildquelle: ON Semiconductor)
Fazit
SiC-Leistungs-MOSFETs sind eine gute Option für hocheffiziente Antriebsumrichter mit hoher Leistungsdichte für Elektrofahrzeuge, aber ihre elektrischen Eigenschaften stellen besondere Herausforderungen an die Entwicklung von Gate-Treibern und Schutzvorrichtungen. Zusätzlich zu den konstruktiven Herausforderungen müssen die Ingenieure auch sicherstellen, dass ihr Antriebsumrichter eine hochgradige Isolierung von der empfindlichen Niederspannungselektronik des Fahrzeugs bietet.
Wie gezeigt, bietet ON Semiconductor zur Vereinfachung der technischen Entwicklung eine Reihe von SiC-MOSFETs, speziellen Gate-Treibern und digitalen Isolatoren an, um die Anforderungen von Antriebsumrichtern zu erfüllen und ein besseres Gleichgewicht zwischen großer Reichweite und hoher Leistung für moderne Elektrofahrzeuge zu erreichen.
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