Villamosítsunk mindent

SiC-teljesítménykapcsolókkal és konfigurálható digitális kapumeghajtással

A Microchip Technology előző cikkei összefoglalták a nagyfeszültségű és -teljesítményű kapcsolókban használt szilíciumkarbid (SiC) -alapú MOSFET félvezetőelemek előnyeit a szilícium MOSFET-ekhez viszonyítva. Ezek kapcsolási tulajdonságainak kulcsszereplője a kifinomult kapumeghajtás. A ma még elterjedt analóg megoldásokat nemcsak minőségben múlják felül a programozható, digitális meghajtók, hanem gyorsabb és olcsóbb a termékfejlesztés is.

Folytatódnak a teljesítményelektronikai megoldásokra való áttérést szorgalmazó „zöld” kezdeményezések az ipar, a repülés- és űrtechnológia, valamint a védelmi alkalmazások területén, de mindenekelőtt a közlekedési és szállítási ágazatban. A trend középpontjában a szilíciumkarbid (SiC) félvezetőtechnológia áll, amely új lehetőségeket tár fel az üvegházhatású gázok (GreenHouse Gases – GHG) kibocsátásának csökkentésében, a felszíni járművek és repülőgépek széles és egyre bővülő alkalmazási területén. (1. ábra)

1. ábra

 
A SiC-megoldások a repülőgépek pneumatikus és hidraulikus mozgatóegységeinek kisebb, könnyebb és hatékonyabb elektromos alternatíváinak megvalósítását teszik lehetővé a fedélzeti áramellátó rendszerekben, a beavatkozószervekben és segédenergia-ellátó egységekben (Auxiliary Power Unit – APU). Az elektromos megol­dások csökkentik ezek karbantartásigényét is. A SiC-technológiának még ezeknél is látványosabb küldetése a kereskedelmi szállítójárművek meghajtásának villamosítása, mivel ez az ágazat jelenleg
a világ legnagyobb GHG-kibocsátói közé tartozik.
Az 1700 V-os és a 3,3 kV-os fém-oxid-félvezető elrendezésű térvezérlésű tranzisztorok (MOSFET-ek) és a konfigurálható digitális kapumeghajtó-technológia megjelenésével a jelenkor SiC-megoldásai lehetőséget adnak a tervezőmérnököknek olyan rendszerek létrehozására, amelyek maximális termelékenységet nyújtanak minimális energiafelhasználás mellett.
A Microchip SiC-termékkínálatának kiterjesztése lehetővé teszi, hogy a tervezők megkapják a szükséges erőforrásokat ahhoz, hogy kisebb, könnyebb és hatékonyabb megoldásokat hozhassanak létre az elektromos közlekedés és szállítás, a megújuló energiák hasznosítása, a repülési és űrtechnikai, valamint az ipari alkalmazások területén. A Microchip 3,3 kV-os MOSFET-jei és Schottky-diódái tovább bővítik a cég egyébként is kiterjedt SiC-termékválasztékát, amelyben megtalálhatók a 700, 1200 és 1700 V-os tokozatlan csipek, diszkrét félvezetők, modulok és digitális kapumeghajtók is. A Microchip 3,3 kV-os SiC-teljesít­mény­kapcsolói a szakma legkisebb bekapcsolt csatorna-ellenállásával (R_DS(on) = 25 mΩ) és legnagyobb áramterhelhetőségével (90 A) rendelkeznek. A MOSFET-ek és a Schottky-diódák csipkivitelben és tokozott változatban egyaránt kaphatók. A teljesítőképességnek ezek az új szintjei lehetőséget adnak a tervezőknek arra, hogy egyszerűsítsék a termékeik felépítését, nagyobb teljesítményű rendszereket alakítsanak ki kevesebb párhuzamosan kapcsolt alkatelem felhasználásával a kisebb, könnyebb és nagyobb hatásfokú teljesítményelektronikai megoldások kialakítása érdekében.

Az 1700 V-os SiC MOSFET-ek előnyei

Az áttérés az 1700 V-os MOSFET-ekre a SiC-technológia energiaátalakításban mutatkozó előnyeit kiterjesztette az elektromos haszonjárművekre és a nehéz teherszállító járművekre, valamint a kisvasúti vontatásra és a segédenergia-ellátó rendszerekre is. Ezek a félvezetőeszközök alkalmasak arra is, hogy a jelenkor és a jövő autóinak hajtásláncában leváltsák a korszerűtlenebb szilícium-MOSFET-eket és IGBT-ket (Insulated Gate Bipolar Transistor – szigetelt vezérlőelektródás bipoláris tranzisztor). Megfelelnek azoknak a magas teljesítmény- és feszültségkövetelményeknek, amelyeket a világ legnagyobb CO₂-egyenértékű üvegházgáz-kibocsátói közé tartozó buszok, vasúti mozdonyok, közepes- és nehéz teherszállító járművek elektromos hajtású változatainak létrehozása, és a hozzájuk kapcsolódó töltési infrastruktúra felépítése támaszt. A SiC-alapú elektronikus változatoknak sokkal nagyobb a rendszerhatásfoka és megbízhatósága azokénál, amelyekben Si-alapú MOSFET-eket és IGBT-ket használnak, ami lehetővé teszi, hogy a tervezők kisebb méretben valósíthassák meg a segédenergia-ellátó rendszereket és a járművek más, kulcsfontosságú teljesítményelektronikai alrendszereit.
A jelenkori 1700 V-os SiC-félvezetőeszközök kapcsolási vesztesége csekély töredéke annak, amit a szilíciumalapú IGBT-k mutatnak. Ez lehetővé teszi, hogy a tervezők megnöveljék a kapcsolási frekvenciát, amely hozzájárul az energiaellátó rendszerek méretének csökkentéséhez. A SiC-MOSFET-eknek nincs az IGBT-kéhez hasonló küszöbfeszültsége, ezért kisebbek azok a vezetési (ohmos) veszteségek is, amelyek a szállítójárművek segédenergia-ellátó rendszereiben keletkeznek kis terhelésű üzemállapotban (például ezek adják az energiát a vasúti kocsik ajtóinak (2. ábra) nyitásához és zárásához, amelyek azonban az üzemidő túlnyomó részében nem jelentenek számottevő terhelést). Mivel az alkalmazások jelentős többségére jellemző, hogy az élettartamuk legnagyobb részében alacsony terhelést kell kiszolgálniuk, a tervezők kihasználhatják a MOSFET-ek kedvező tulajdonságait, az alacsony kapcsolási és vezetési veszteségeit, ami által egyszerűbb megoldások alkalmazhatók a veszteségi hő elvezetésére, például a hűtőbordák kialakítására.

2. ábra

 
A mai nagyfeszültségű SiC MOSFET-ekkel megvalósítható egyszerűbb áramköri felépítés és a vele járó kevesebb alkatrész növeli a megbízhatóságot, és egyben csökkenti a megvalósítás költségeit. Az 1700 V-os zárófeszültségük csökkenti az energiaátalakító áramkör méreteit és lehetővé teszi, hogy a fejlesztők a háromszintű áramköri felépítés helyett a jóval egyszerűbb kétszintűt alkalmazhassák. Ez felére – vagy még jobban – csökkenti a szükséges alkatrészek számát, miközben a vezérlési séma is egyszerűbb.

Lényeges megfontolások a SiC MOSFET-ek alkalmazásánál

Amikor SiC MOSFET-eket választunk a nehéz szállítójárművekben – vagy más, többmegawattos alkalmazásban – való felhasználásra, néhány fontos sajátosságot kell számításba vennünk. Ezek egyike az a döntés, hogy alkalmazunk-e egy alapáramkört realizáló „egységcellára” (teljesítményelektronikai építőkockára, vagy almodulra) alapozott moduláris megoldást.
Kezdetben az egységcellák teljesítményfélvezetőiként az 1200 és 1700 V-os szilícium IGBT-ket alkalmazták. A kisebb teljesítményű alkalmazásokhoz hasonlóan az 1700 V-os SiC MOSFET-ek használata az egységcellákban ugyancsak kiterjeszti energiakezelési képességüket és elektromos teljesítőképességüket.
Amint azt már említettük, az 1700 V-os SiC MOSFET-eknek sokkal kisebb a kapcsolási veszteségük, ami lehetségessé teszi a kapcsolási frekvencia növelését, ezáltal pedig jelentősen csökkenthető az egységcellák mérete. Ráadásul a magas, 1700 V-os zárófeszültség miatt ugyanazon DC bemeneti feszültséghez kevesebb egységcella alkalmazása is elegendő, ami végső soron növeli a rendszer megbízhatóságát, miközben csökkenti a költségeket.
A tervezőknek értékelniük kell a SiC MOSFET-ek beépített testdiódájának ellenállóképességét is. Az eszközök nagy terhelésű igénybevétel előtt és után mért, bekapcsolt állapotú forrás-nyelő elektróda közötti ellenállásának (R_DS(on)) nem szabad észrevehetően megváltoznia. Ez kritikus fontosságú annak biztosítása érdekében, hogy az eszköz paraméterei ne romoljanak akár több órányi állandó nyitóirányú áramterhelés után sem, amikor fordított irányban folyik rajtuk áram, miközben a kapcsolási ciklus végén elvezetik a maradék energiát.
A tervezőknek érdemes alaposan megfontolniuk, hogy a különböző gyártók által szállított SiC MOSFET-ek teszteredményei között alapvető eltérések mutatkoznak. Némelyek legalább egy bizonyos szintű paraméterromlást mutatnak, míg másokéi akár teljesen instabillá is változhatnak. Amennyiben olyan SiC MOSFET-et választunk, amelynek a paraméterei nem romlanak, az akár feleslegessé is teheti egy külső antiparalel kapcsolású dióda beépítését is. Ezáltal pedig csökken az alkatrészköltség és a teljesítménykapcsoló modul helyfoglalása is.
A potenciálisan nem megfelelő testdióda teljesítményének különböző szintjei továbbra is kihívásokat jelenthetnek – egyes eszközöknél nagyobb, mások esetében kisebb mértékben. Ez megoldható a SiC MOSFET bekapcsolási paramétereinek beállításával, amelyre a konfigurálható digitális kapumeghajtók adnak lehetőséget. Ugyanezeket a meghajtókat használják a SiC MOSFET-ek gyorsabb kapcsolási sebességéből adódó másodlagos hatások enyhítésére is, mint a zaj és az elektromágneses interferencia (EMI), valamint a zárlattűrő képesség korlátozott időtartama, a parazita­induktivitás okozta túlfeszültség és túlmelegedés. A konfigurál­ható digitális kapumeghajtás a kulcs a SiC technológia teljes képességének feltárásához.

A tervezés problémáinak megoldása és új lehetőségek megnyitása

A konfigurálható digitális kapumeghajtókat kifejezetten arra fejlesztették, hogy a segítségükkel mérsékeljék a SiC MOSFET-ek gyorsabb kapcsolási sebességének mellékhatásait. Ezek amellett, hogy a hagyományos analóg megközelítéshez képest akár 80 százalékkal csökkentik a nyelő-forrás (drain-source) feszültség (V_DS) túllépését, akár 50 százalékkal csökkenthetik a kapcsolási veszteségeket és akár hat hónappal a piacképes termék fejlesztéséhez szükséges időt is. Lehetővé teszik akár 20 A csúcsáram leadását/elnyelését, és egy alacsony kapacitású leválasztó gáttal rendelkező, szigetelt DC/DC átalakítót is tartalmaznak, amely impulzusszélesség-modulációs jelek előállításához és hibajelek egyenáramúlag elválasztott visszavezetéséhez használható. Ezenkívül robusztus hibafigyelést és -észlelést biztosítanak, miközben független rövidzárlati válaszjelet adnak, és a MOSFET sokkal pontosabb be-/kikapcsolási vezérlését kínálják a hagyományos analóg kapumeghajtókhoz képest, amelyek csak a feszültségváltozás meredekségét szabályozzák kikapcsoláskor a kapuellenállásokon keresztül normál üzemben és zárlati körülmények között. Ráadásul még ha a szabványos analóg kapumeghajtók SiC MOSFET-ekkel való használatra vannak is optimalizálva, mégsem tudják kiaknázni ezeket a lehetőségeket.
A konfigurálható digitális kapumeghajtók ugyancsak új, kiterjesztett lehetőségeket kínálnak. Lehetővé teszik a fejlesztők számára, hogy azáltal csökkenthessék jelentősen a fejlesztési időt, hogy feltárják a konfigurációkat, és újra felhasználják azokat különböző kapumeghajtó-paraméterek, mint például a kapujel kapcsolási profiljai, a rendszerkritikus figyelőáramkörök és a vezérlő interfész beállításaihoz. A kapuillesztő programok gyors testre­szabása a különféle alkalmazásokhoz hardvermódosítást nem igényel, ezzel csökkenti az értékeléstől a gyártásig tartó fejlesztési időt. A vezérlési paraméterek a tervezési folyamat bármely pontján módosít­hatók, sőt a tervezők akár a terepen is módosíthatják a kapcsolási profilokat az alkalmazási feltételek igényeihez és/vagy a SiC MOSFET-ek paraméterromlásához alkalmazkodva.
A kapcsolási paramétereknek ez a kiterjesztése folyamatosan fejlődik. A digitális kapumeghajtás a hagyományos analóg kapumeghajtók egyetlen lehetőségével szemben már kétféle bekapcsolási feszültséglépcsőt, kikapcsoláskor pedig három beállítható szintet kínál. Ezáltal lehetségessé válik a kikapcsolás során egyfajta „lágy landolás” megvalósítása, ami nagyon hasonlít ahhoz, amikor erősen fékezünk egy blokkolásgátlóval (ABS) felszerelt autóban.
Egy negyedik – zárlati – beállítási szint hozzáadása lehetőséget ad a SiC kapcsolási sebességek másodlagos hatásának még pontosabb szabályozására, és egyebek közt a túllövés, a feszültséglengés kezelésére és a kikapcsolási energia elvezetésére. Ezek a képességek lehetővé teszik, hogy a tervezők kihasználhassák a gyorsabb jelváltozás és a fokozatosabb és dinamikusabb, többlépcsős be- és kikapcsolási vezérlés kombinációját, amely biztosítja számukra, hogy megfeleljenek a SiC-alkalmazások növekvő igényeinek.
Ennek egyik példája a motorvezérlés. Ha a feszültségváltozás sebessége (dV/dt) túl nagy, az rövidebb várható motorélettartamot, és ennek következtében magasabb garanciális költséget eredményez. Amíg a nagyobb frekvenciájú kapcsolásra tervezett motorok elérhetőkké nem válnak, e probléma megoldásának egyetlen módja az, hogy az analóg kapumeghajtókkal csökkentjük a SiC kapcsolási sebességét, amiért viszont a hatásfok csökkenésével kell fizetni. Csak a digitális kapumeghajtók kiterjesztett kapcsolásvezérlési képességeivel valósítható meg a dV/dt feszültségváltozási sebesség finomhangolása a legjobb lehetséges kompromisszum elérése érdekében. A 3. ábrán összegezve látható az analóg kapumeghajtók és az új digitális generáció képességeinek összehasonlítása.

3. ábra A hagyományos analóg kapumeghajtó összehasonlítása a konfigurálható digitális kapumeghajtó-technológia két generációjával

Teljes megoldások

Egy átfogó SiC-ökoszisztéma közvetlen utat nyit a termék értékelésétől a gyártásig. Ennek kulcselemei a kapumeghajtómag, a modul-adapterkártyák, egy SP6LI kis induktivitású teljesítménykapcsoló modul, az összeépítéshez szükséges szerelvények és tartozékok, és végül csatlakozók a termisztoros hőmérséklet-érzékelőhöz és az egyenfeszültségű betápláláshoz. Ezenkívül programozó­készletek is elérhetők a konfiguráló szoftver kezeléséhez.
Különösen fontosak a modul-adapterkártyák. Ezek azáltal növelik a megoldás rugalmasságát, hogy megteremtik a lehetőséget a fejlesztőnek a konfigurálás gyors végrehajtásához, valamint a már bevált be- és kikapcsolási feszültségkonfiguráció „újrahasznosításához”. Ez számos különféle gyártó SiC MOSFET-jeivel széles pozitív vagy negatív feszültségtartományban megtehető anélkül, hogy bármilyen áttervezésre lenne szükség. Ez még akkor is igaz, ha a SiC MOSFET-et előzőleg analóg kapumeghajtóval vezérelték. A fejlesztőmérnök a digitális kapumeghajtó-megoldást annak egyszerű újrakonfigurálásával azonnal gyártásra kész állapotba juttathatja. Közben pedig folytathatja a fejlesztést a kapumeghajtómagok és adapterkártyák „keverésével” és a megfelelők kiválasztásával, majd a terméket ugyanezen a gyorsított útvonalon gyártásba viheti. A tesztelést pedig azonnal elkezdheti azzal, hogy egy SP6LI kis induktivitású teljesítménykapcsoló modult egy laptop számítógéphez és egy egyfázisú váltakozóáramú tápláláshoz kapcsol.
Az 1700 V-os SiC MOSFET teljesítménykapcsoló-megoldások és a digitális kapumeghajtó-technológia kombinációja már ma is jelentős hatást gyakorol a „minden villamosításának” koncepciójára, és ezen belül is különösen a nehéz szállítójárművekben alkalmazott megoldásokra. Ez úgy tette lehetővé a SiC technológia alkalmazását, hogy támogassa ezen járművek energiaátalakítási igényeit, és egyidejűleg javítsa a hatásfokukat és a megbízhatóságukat. Ezenkívül a konfigurálható digitális kapumeghajtók által biztosított kibővített kapcsolási képességek felgyorsítják és leegyszerűsítik a tervezéstől a gyártásig vezető utat is, miközben új képességeket is létrehoznak, beleértve a kapcsolási profilok megváltoztatását a terepen, ha az alkalmazási feltételek változása és/vagy a SiC MOSFET-ek paramétereinek degradációja ezt szükségessé teszi.
Azáltal, hogy mindezek az összetevők együtt teljes rendszermegoldást alkotnak, a SiC-alkalmazások egyaránt adhatnak választ a jelenben és a jövőben felhasználható hajtásláncok kihívásaira, mégpedig úgy, hogy több hely marad a „fizető” utasok számára a sokkal kisebb méretű segédenergia-ellátó rendszer mellett a villamos hajtású metrókocsikban, földalatti vasutakban és nehéz szállítójárművekben. A tervezők által a legjobban várt előnyök egyike a konfigurálható digitális kapumeghajtás alkalmazása, amely kiküszöböli a forrasztott kapumeghajtó-ellenállások munkaigényes cserélgetését a kapumeghajtó viselkedését befolyásoló paraméterek beállítása során. Mindezt most billentyűlenyomásokkal lehet elvégezni, amely felgyorsítja a „minden villamosításának” folyamatát.

Szerzők: Nitesh Satheesh, Tomas Krecek, Perry Schugart, Xuning Zhang, Kevin Speer – Microchip Technology

www.microchip.com