SiC MOSFET в корпусах с кельвиновским выводом для зарядных станций электромобилей

Введение

С появлением новейших SiC MOSFET-транзисторов C3M Wolfspeed индуктивность корпуса и топология печатной платы стали критическими факторами, во многом ограничивающими динамические характеристики системы. Кристаллы C3M MOSFET предназначены для коммутации сотен вольт и десятков ампер в течение наносекунд. Однако большая индуктивность обычного корпуса TO-247-3 (суммарный показатель проводников подключения кристалла и силовых выводов) создает отрицательную обратную связь, которая ограничивает достижимую величину di/dt и увеличивает связанные с этим потери переключения.

Как показано на рис. 1 для ключа верхнего уровня, индуктивность истока Q1 (LS1) и соответствующее падение напряжения делятся между силовым контуром и контуром управления затвором. При быстрой коммутации тока di/dt это наведенное напряжение противодействует приложенному сигналу управления затвором (VDRV1). В результате напряжение «затвор-исток» на кристалле MOSFET уменьшается, что замедляет скорость коммутации и увеличивает потери переключения.

Рис. 1. Гипотетическая схема полумоста MOSFET с верхним ключом в корпусе TO-247-3L (Q1) и нижним ключом TO-247-4L (Q2). Достижимое значение di/dt в TO-247-3L ограничено падением напряжения на индуктивности LS1 общего истока, противодействующим приложенному сигналу управления затвором VDRV1. Добавление вывода Кельвина в TO-247-4L в сочетании с изолированным драйвером VDRV2 снимает ограничение di/dt, существенно уменьшая потери переключения

Одним из способов решения проблемы является применение варианта корпуса с дополнительным сигнальным выводом Кельвина для подключения к драйверу — такой вывод (KS) показан у нижнего ключа (Q2) на рис. 1. При использовании изолированного драйвера затвора (VDRV2) контур управления не будет подвержен влиянию напряжения, наводимого на индуктивности силового контура коммутации. Это подавляет механизм отрицательной обратной связи, что позволяет повысить скорость переключения и снизить динамические потери.

Компания Wolfspeed представила два новых варианта SiC MOSFET в корпусе с отдельным выводом Кельвина; типы и основные характеристики транзисторов даны в таблице 1. Первым показан корпус для поверхностного монтажа TO-263-7, спроектированный для MOSFET с рабочим напряжением до 1700 В, имеющий площадь на 52% меньше, чем у D3PAK, который обычно используется в приборах 12- и 17-го классов. Наличие пяти параллельных выводов истока существенно уменьшает индуктивность силового контура по сравнению с другими компонентами для поверхностного монтажа. Второй вариант TO-247-4L с выводами для сквозного монтажа отличается длиной тока утечки 8 мм (между стоком и истоком).

Результаты измерений: оценка улучшения динамических параметров

Улучшение динамических характеристик новых типов корпусов подтверждено в ходе испытаний на индуктивную нагрузку, проведенных на семействе транзисторов, упомянутых в таблице 1. На рис. 2 приведено сравнение эпюр включения (600 В/40 A) MOSFET (1000 В, 65 мОм) в корпусе TO-263-7L с сигнальным выводом Кельвина и TO-247-3L без встроенного вывода Кельвина. Даже для подобного «среднеразмерного» MOSFET с типовым внешним резистором затвора 10 Ом время переключения снижено с 72 до 27 нс, то есть скорость коммутации повышена в 2,6 раза.

Рис. 2. Измеренные эпюры включения одного и того же чипа SiC MOSFET в двух типах корпусов: TO-263-7L (с сигнальным выводом Кельвина) обеспечивает скорость коммутации в 2,6 раза выше, чем обычный TO-247-3

Поскольку данный эффект контролируется величиной di/dt MOSFET, можно предположить, что существуют большие возможности для уменьшения потерь переключения для сильноточных MOSFET с большой площадью чипов, управляемых через малое внешнее сопротивление затвора.

Следующий индуктивный импульсный тест проводился на кристалле 10 мОм, 900 В при сигнале управления V_GS = –4/+15 В, сопротивлении затвора R_G = 5 Ом и напряжении V_DD = 600 В. На рис. 3 показана зависимость коммутационных потерь от тока стока для транзисторов в стандартном корпусе TO-247-3L (слева) и корпусе TO-247-4L с отдельным выводом Кельвина (справа). В обоих случаях измеренные величины включают потери внутреннего диода верхнего MOSFET, используемого в качестве оппозитного. Результаты демонстрируют потенциальное уменьшение потерь переключения в 3,5 раза при измерении в области номинального тока. Транзисторы SiC MOSFET также обеспечивают более высокую рабочую частоту в режимах мягкой коммутации или резонансной коммутации, которые обычно используются в DC/DC-преобразователях внешних и бортовых DC-станций быстрой зарядки [2].

Рис. 3. Зависимость энергии динамических потерь от тока стока для SiC MOSFET (10 мОм, 900 В) в корпусах TO-247-3L и TO-247-4L. Для кристаллов большой площади при использовании внешнего резистора затвора 5 Ом наблюдается 3,5-кратное снижение энергии потерь на номинальном токе

Пример применения: оптимизированный активный выпрямитель (AFE) мощностью 20 кВт для станции быстрой зарядки

Бурное развитие электротранспорта создает новые возможности для внедрения технологии SiC MOSFET как на самих автомобилях, так и вне их. Полумостовые схемы с жесткой коммутацией используются в DC/DC-преобразователях, тяговых приводах и активных выпрямителях с ККМ зарядных устройств. Транзисторы SiC MOSFET также обеспечивают более высокую рабочую частоту в режиме мягкой коммутации или резонансном режиме, часто применяемых в DC/DC-преобразователях бортовых и внешних зарядных станций постоянного тока.

Новые варианты корпусов и возможность сигнального подключения Кельвина обеспечивают заметное уменьшение потерь переключения в режиме жесткой коммутации. Сочетание улучшенных динамических характеристик 1000-В C3M SiC MOSFET с малыми статическими потерями во всем диапазоне температур, низкий заряд восстановления QRR «тельного» диода и более линейный характер выходной емкости позволяет разработчикам вдохнуть новую жизнь в хорошо известную и простую двухуровневую топологию. Для демонстрации этих преимуществ на системном уровне специалистами Wolfspeed изготовлен и протестирован двухуровневый активный выпрямитель (AFE) на базе SiC-транзисторов (рис. 4), используемый в первичном каскаде бортового зарядного устройства электромобиля.

Рис. 4. Схема 2L трехфазного силового каскада AFE, прототип AFE мощностью 20 кВт на базе двух параллельных C3M0065100K на ключ

Прототип AFE разработан с применением MOSFET C3M0065100K, каждый ключ содержит два транзистора без дополнительных антипараллельных диодов. Частота переключения 48 кГц выбрана для того, чтобы обеспечить сбалансированное соотношение стоимости фазного индуктора, коэффициента гармоник тока THD и простоты фильтра EMI (частота третьей гармоники ниже 150 кГц). Фазные индукторы 400 мкГн имеют сердечник AMCC 50 Metglass 2605SA1, обмотка выполнена из медной фольги. Стандартный метод ШИМ-управления с пространственным вектором реализован с помощью контроллера TMS320F28335. Длительность «мертвого времени» уменьшена до ~100 нс, чтобы снизить искажения напряжения на участке перехода фазного напряжения. Измеренные значения эффективности и THD показаны на рис. 5, который подтверждает, что все поставленные цели достигнуты.

Рис. 5. Измерения эффективности и THD прототипа 2L SiC AFE в зависимости от мощности (слева) показывают, что эта простая топология решает все поставленные задачи. Измеренные значения КПД и оценка плотности мощности 2L SiC AFE в сравнении с параметрами схемы Vienna Rectifiers на основе кремниевых ключей (справа) демонстрирует повышение эффективности примерно на 1% при снижении потерь мощности на 30%

По сравнению с популярной трехуровневой топологией выпрямителя Vienna с применением кремниевых ключей описанный в статье подход обеспечивает снижение потерь мощности более чем на 30% (то есть энерго­сбережение), упрощение схемы, уменьшение количества комплектующих, простоту управления, поддержку двунаправленной передачи энергии (V2G) и соответствующие улучшения на системном уровне. Более подробную информацию о сравнении прототипа AFE с выпрямителем Vienna можно найти в [1].

Заключения и выводы

Ожидается, что в ближайшие пять лет мировой рынок силовых полупроводников, используемых в автотранспорте, вырастет более чем на $3 млрд за счет электрификации транспортных средств. Высокоэффективные бортовые и внешние станции быстрой зарядки становятся ключевым фактором широкого распространения EV. Использование дискретных MOSFET SiC в экономичных корпусах при разработке таких устройств предлагает разработчикам новые возможности по повышению эффективности преобразования, плотности мощности и энергосбережению. На примере прототипа двухуровневого активного выпрямителя показано, что MOSFET-транзисторы Wolfspeed C3M SiC обеспечивают высокую производительность и 30%-ное снижение потерь мощности при использовании простой топологии схемы и стандартного способа управления.