Considerații de proiectare pentru un comutator SiC de înaltă tensiune pentru deconectarea bateriei

În acest articol, vom analiza câteva aspecte de proiectare legate de selectarea tehnologiei semiconductorilor de putere și de alegerea capsulei potrivite pentru un comutator de deconectare a bateriei, de înaltă tensiune și curent ridicat. Sunt discutate, de asemenea, caracterizarea inductanței parazite a sistemului și stabilirea limitelor de protecție la supracurent.

Sistemele electrice cu magistrale de curent continuu de 400 V sau mai mari, alimentate de la rețele monofazate sau trifazate ori de la sisteme de stocare a energiei (ESS), își pot îmbunătăți fiabilitatea și reziliența prin protecția oferită de circuitele în stare solidă (solid-state). La proiectarea unui comutator semiconductor în stare solidă, de înaltă tensiune, pentru deconectarea bateriei, trebuie avute în vedere câteva decizii fundamentale de proiectare.

Printre factorii cheie se numără tehnologia semiconductorului, tipul dispozitivului, capsula termică, robustețea dispozitivului și gestionarea energiei inductive în timpul întreruperii circuitului.

Avantajele tehnologiei semiconductorilor cu bandă interzisă largă

La selectarea materialului semiconductor optim, trebuie luate în considerare mai multe caracteristici. Obiectivul este obținerea unui comutator cu rezistență minimă în stare de conducție, curent de scurgere minim în stare blocată, capacitate ridicată de blocare a tensiunii și capacitate mare de gestionare a puterii.

Figura 1: Proprietățile materialelor Si, SiC și GaN. (Sursă: Microchip)

Figura 1 prezintă caracteristicile materialelor semiconductoare din siliciu (Si), carbură de siliciu (SiC) și nitrură de galiu (GaN). Câmpul electric de străpungere al materialelor SiC și GaN este de aproximativ zece ori mai mare decât cel al siliciului. Acest lucru permite proiectarea dispozitivelor cu o regiune de drift de zece ori mai subțire decât cea a unui dispozitiv echivalent din siliciu, deoarece grosimea acestei regiuni este invers proporțională cu intensitatea câmpului electric de străpungere.

În plus, rezistența regiunii de drift este invers proporțională cu cubul câmpului electric de străpungere. Rezultatul este o rezistență a regiunii de drift de aproape 1000 de ori mai mică. Într-o aplicație de comutare în stare solidă, unde toate pierderile sunt pierderi de conducție, câmpul electric de străpungere ridicat reprezintă un avantaj semnificativ.

Această rezistență redusă elimină, de asemenea, preocupările legate de fenomenele dinamice de latch-up, în care tranzițiile dV/dt ridicate pot declanșa tranzistorul NPN parazit în MOSFET-urile de putere din siliciu sau tiristorul parazit în IGBT-uri.

Conductivitate termică și performanță la temperaturi ridicate

Conductivitatea termică a carburii de siliciu, de trei ori mai mare decât cea a Si și GaN, îmbunătățește semnificativ capacitatea de evacuare a căldurii din cip, permițând funcționarea acestuia la temperaturi mai scăzute și simplificând proiectarea termică. Alternativ, pentru aceeași temperatură țintă a joncțiunii, această conductivitate termică mai mare permite funcționarea la curenți mai ridicați. Conductivitatea termică superioară, combinată cu un câmp electric de străpungere ridicat, are ca rezultat o rezistență redusă în stare de conducție, ceea ce simplifică și mai mult proiectarea termică.

Carbura de siliciu, un material semiconductor cu bandă interzisă largă (WBG), are o bandă interzisă de aproape trei ori mai mare decât cea a siliciului, ceea ce permite funcționarea la temperaturi mai ridicate. La temperaturi ridicate, un semiconductor își poate pierde comportamentul specific de semiconductor. Banda interzisă mai largă permite carburii de siliciu să funcționeze la temperaturi cu câteva sute de grade Celsius mai mari decât siliciul, deoarece concentrația purtătorilor de sarcină liberi este mai mică. Cu toate acestea, în tehnologia actuală, alți factori – de exemplu, capsula și curentul de scurgere prin oxidul porții – limitează temperatura maximă continuă a joncțiunii unui dispozitiv la 175°C. Un alt avantaj al tehnologiei WBG este curentul de scurgere mai mic în stare blocată.

Având în vedere aceste caracteristici, carbura de siliciu este materialul semiconductor optim pentru această aplicație.

Diferențe între tipurile de dispozitive: IGBT-uri, MOSFET-uri și JFET-uri

Tipul tranzistorului este următorul factor critic. În cele mai multe cazuri, pierderile de conducție reprezintă cea mai mare provocare de proiectare și trebuie minimizate pentru a îndeplini cerințele termice ale sistemului. Unele sisteme dispun de răcire cu lichid, în timp ce altele utilizează aer forțat sau se bazează pe convecție naturală.

Pe lângă reducerea la minimum a pierderilor de conducție, căderea de tensiune trebuie menținută, de asemenea, la un nivel cât mai scăzut, pentru a maximiza eficiența în toate punctele de funcționare, inclusiv în condiții de sarcină ușoară. Acest aspect este deosebit de important în sistemele alimentate de la baterii.

Un alt factor important în multe sisteme, inclusiv în cele de curent continuu, este fluxul bidirecțional al curentului. În general, este de dorit un tranzistor cu pierderi de conducție reduse, cădere de tensiune scăzută și capacitate de conducție inversă. Tranzistoarele luate de obicei în considerare sunt IGBT-urile, MOSFET-urile și JFET-urile.

Deși un IGBT are pierderi de conducție comparabile cu cele ale unui MOSFET la curenți de sarcină de vârf, eficiența unei soluții bazate pe IGBT scade odată cu reducerea curentului de sarcină. Acest lucru se explică prin faptul că respectiva cădere de tensiune are două componente: o cădere de tensiune aproape constantă, independentă de curentul de colector și o cădere de tensiune proporțională cu acest curent.

În cazul unui MOSFET, căderea de tensiune este proporțională cu curentul prin dispozitiv. Acesta nu prezintă pierderile caracteristice unui IGBT, ceea ce permite obținerea unei eficiențe ridicate în toate punctele de funcționare, inclusiv în condiții de sarcină redusă. MOSFET-ul permite conducția prin canal în primul și al treilea cadran, ceea ce înseamnă că prin dispozitiv poate circula curent atât în sens direct, cât și în sens invers.

Conducție inversă și dispozitive normal blocate

Un avantaj suplimentar al funcționării MOSFET-ului în al treilea cadran este că, în general, rezistența în stare de conducție este ușor mai mică decât în primul cadran. În schimb, un IGBT conduce curentul doar în primul cadran, iar pentru conducția curentului invers este necesară o diodă antiparalelă.

JFET-ul, o tehnologie mai veche, dar care revine în actualitate, funcționează atât în conducție directă, cât și în conducție inversă și, la fel ca MOSFET-ul, are o cădere de tensiune proporțională cu curentul prin dispozitiv. Diferența față de un MOSFET este că JFET-ul este un dispozitiv cu mod de epuizare. Altfel spus, JFET-ul este în mod normal în conducție și necesită o polarizare a porții pentru a bloca fluxul de curent. Acest lucru ridică provocări practice pentru proiectanți atunci când analizează condițiile de defect ale sistemului.

Ca soluție alternativă, se poate utiliza o configurație cascode, care include un MOSFET de siliciu de joasă tensiune conectat în serie, pentru a obține un dispozitiv normal blocat. Adăugarea dispozitivului de siliciu în serie crește însă complexitatea, diminuând unele dintre avantajele JFET-ului în aplicațiile cu curent ridicat. MOSFET-ul SiC, un dispozitiv normal blocat, oferă rezistența redusă și controlabilitatea necesare în multe sisteme.

Capsule termice pentru modulele de putere SiC

Modulele de putere SiC permit un nivel ridicat de optimizare a sistemului, dificil de realizat cu MOSFET-uri discrete conectate în paralel. Modulele mSiC™ de la Microchip sunt disponibile într-o gamă largă de configurații și valori nominale de tensiune și curent. Printre acestea se numără configurația cu sursă comună, care conectează două MOSFET-uri SiC într-o configurație anti-serie, pentru a permite blocarea bidirecțională a tensiunii și a curentului. Fiecare MOSFET este alcătuit din mai multe cipuri conectate în paralel, pentru a atinge curentul nominal și o rezistență redusă în stare de conducție. Pentru un comutator unidirecțional de deconectare a bateriei, cele două MOSFET-uri sunt conectate în paralel în exteriorul modulului de putere.

Materiale pentru performanță termică și fiabilitate

O rezistență redusă în stare de conducție și o rezistență termică scăzută sunt necesare pentru a menține cipul la o temperatură redusă. Materialele utilizate în modul sunt elemente esențiale, care determină rezistența termică de la joncțiune la carcasă, precum și fiabilitatea modulului. Mai precis, proprietățile materialelor de atașare a cipului, ale substratului și ale plăcii de bază sunt factorii principali care contribuie la rezistența termică a unui modul.

Selectarea materialelor cu o conductivitate termică ridicată contribuie la minimizarea rezistenței termice și a temperaturii joncțiunii. Pe lângă performanța termică, selectarea unor materiale cu coeficienți de dilatare termică apropiați crește durata de viață a modulului, prin reducerea stresului termic atât la interfețe, cât și în interiorul materialelor. Tabelul 1 rezumă aceste caracteristici termice.

Substraturile din nitrură de aluminiu (AlN) și plăcile de bază din cupru (Cu) sunt standard în modulele de putere mSiC. Opțiunile cu substraturi din nitrură de siliciu (Si₃N₄) și plăci de bază din carbură de siliciu și aluminiu (AlSiC) oferă o fiabilitate mai mare. Figura 2 prezintă module de putere cu sursă comună în capsulele standard SP3F și SP6C, precum și în capsulele BL1 și BL3, fără placă de bază, de înaltă fiabilitate, certificate conform DO-160.

Tabelul 1: Proprietăți termice ale cipului, substratului și plăcii de bază.

Figura 2: Modulele mSiC de la Microchip în configurație cu sursă comună. (Sursă: Microchip)

Robustețea dispozitivului și inductanța sistemului

Pe lângă performanța termică și fiabilitatea pe termen lung a modulului, un alt aspect care trebuie luat în considerare la proiectarea unui dispozitiv de întrerupere a circuitului este energia inductivă ridicată.

Releele și contactoarele au un număr limitat de cicluri de funcționare. Acestea sunt specificate, de obicei, prin numărul de cicluri de comutare mecanică fără sarcină și printr-un număr semnificativ mai mic de cicluri de comutare sub sarcină electrică. Inductanța din sistem duce la formarea de arcuri electrice între contacte, ceea ce provoacă degradarea acestora în timpul întreruperii curentului.

Prin urmare, condițiile de funcționare pentru ciclurile electrice nominale sunt definite în mod specific și au o influență puternică asupra duratei de viață a dispozitivului. Chiar și așa, în sistemele cu contactoare sau relee sunt necesare siguranțe în amonte, deoarece contactele se pot suda și bloca atunci când sunt supuse unor curenți mari de scurtcircuit.

Comutatoarele de deconectare a bateriilor în stare solidă nu suferă această degradare, permițând realizarea unui sistem cu fiabilitate mai mare. În ciuda acestui avantaj, înțelegerea inductanței și a capacității parazite, precum și a inductanței și capacității sarcinii, este esențială pentru gestionarea energiei inductive prezente la întreruperea curenților mari.

Gestionarea energiei inductive în comutatoarele SiC

Energia inductivă este proporțională cu inductanța și cu pătratul curentului din sistem în momentul întreruperii. Un scurtcircuit la bornele de ieșire ale comutatorului determină o creștere rapidă a curentului, cu o rată egală cu raportul dintre tensiunea bateriei și inductanța sursei. De exemplu, o tensiune de magistrală de 800 V, asociată cu o inductanță a sursei de 5 µH, duce la o creștere a curentului cu 160 A/µs. Un timp de răspuns de 5 µs, pentru detecție și intervenție, va adăuga încă 800 A în circuit.

Deoarece nu se recomandă funcționarea unui modul de putere SiC în regim de avalanșă, este necesar un circuit snubber sau un circuit de limitare, pentru a proteja modulul prin absorbția acestei energii inductive. Cu toate acestea, elementele parazite introduse de circuitul snubber, atunci când acesta este proiectat corespunzător pentru a respecta cerințele privind distanțele de izolație pe suprafață și prin aer, îi limitează și mai mult eficacitatea. Prin urmare, comutatorul trebuie să se oprească suficient de lent pentru a limita supratensiunea generată de inductanța internă a modulului și de scăderea bruscă a curentului prin acesta. Un modul proiectat cu inductanță redusă contribuie la minimizarea suplimentară a acestei supratensiuni.

Robustețe la comutație inductivă fără limitare

În dispozitivele de putere din siliciu, întreruperea rapidă a unui curent ridicat introduce riscul declanșării tranzistorului NPN parazit sau a tiristorului parazit, ceea ce duce la un fenomen de latch-up necontrolabil și, în cele din urmă, la defectare. În cazul dispozitivelor SiC, o oprire foarte rapidă poate duce la o străpungere în avalanșă cu energie redusă în fiecare cip, pe măsură ce acestea se opresc, până când circuitul snubber sau circuitul de limitare absoarbe energia ridicată.

Figura 3: Performanța energiei de avalanșă la un singur impuls (stânga) și în regim repetitiv (dreapta). (Sursă: Microchip)

MOSFET-urile mSiC™ de la Microchip sunt proiectate și testate pentru robustețe la comutație inductivă fără limitare (UIS – Unclamped Inductive Switching), oferind o marjă de siguranță suplimentară pe măsură ce un circuit snubber sau un circuit de limitare începe să se degradeze. Figura 3 prezintă performanța UIS la un singur impuls și în regim repetitiv, comparativ cu alte dispozitive SiC disponibile pe piață.

Limitarea curentului de scurtcircuit la nivel de sistem

Deși capabilitatea de scurtcircuit trebuie înțeleasă la nivel de dispozitiv, iar IGBT-urile au, într-adevăr, performanțe superioare de scurtcircuit la nivel de dispozitiv față de MOSFET-uri, într-un sistem real acestea sunt supuse unor condiții de solicitare diferite.

Datorită comportamentului inerent de limitare a curentului al inductanței sistemului, este puțin probabil ca un modul să atingă curentul nominal de scurtcircuit. Factorul limitativ este proiectarea circuitului snubber sau a circuitului de limitare. Pentru a proiecta un circuit snubber compact și rentabil, curentul de vârf de scurtcircuit admis la nivel de sistem va fi limitat la o valoare mult sub curentul nominal de scurtcircuit al modulului.

De exemplu, într-un comutator de deconectare a bateriei de 500 A, format din nouă cipuri conectate în paralel și proiectat pentru a împiedica depășirea unui curent de scurtcircuit de 1350 A, fiecare cip conduce un curent de 150 A, presupunând o distribuție uniformă a curentului. Acesta este un curent mult mai mic decât cel întâlnit într-un test de scurtcircuit la nivel de dispozitiv, în care curentul depășește câteva sute de amperi pe durata testului.

Optimizarea dispozitivului de limitare a tensiunii este un element cheie în proiectarea unui comutator de deconectare a bateriei, robust și în stare solidă.

Alte considerente de proiectare

Pe lângă dispozitivul de putere, există și considerente de proiectare legate de electronica de control, inclusiv tehnologia de detecție a curentului, detecția și protecția la supracurent, precum și siguranța funcțională. Deciziile privind utilizarea unei rezistențe de șunt sau a unei tehnologii magnetice pentru detecția curentului sunt importante în proiectarea unui sistem cu inductanță parazită redusă, unde timpul de răspuns rapid este esențial. Decizia de a utiliza hardware, software sau o combinație a celor două pentru detecția supracurentului este, de asemenea, importantă, în special atunci când proiectul trebuie să îndeplinească cerințe de siguranță funcțională.

În concluzie, au fost discutate câteva aspecte esențiale privind alegerea și proiectarea dispozitivului de putere de înaltă tensiune într-un comutator de deconectare a bateriei în stare solidă. Avantajele carburii de siliciu și ale capsulelor pentru semiconductori de putere sunt factori cheie pentru beneficiile la nivel de sistem pe care le oferă un comutator de deconectare în stare solidă, comparativ cu o soluție mecanică tradițională. Datorită tehnologiei cu carbură de siliciu, sunt disponibile acum dispozitive cu rezistență redusă în stare de conducție și rezistență termică scăzută, care permit obținerea pierderilor reduse de conducție necesare în multe sisteme, utilizând totodată materiale care asigură o fiabilitate ridicată.

Autor: Ehab Tarmoom, Senior Technical Staff Applications Engineer – Silicon Carbide Business Unit
Microchip Technology

 

Glosar de termeni

Semiconductori și dispozitive de putere

WBG – Wide-Bandgap / Bandă interzisă largă: Categorie de materiale semiconductoare, precum SiC și GaN, care au o bandă interzisă mai mare decât siliciul. Aceste materiale permit funcționarea la tensiuni, temperaturi și frecvențe mai ridicate.

Dispozitiv normal blocat: Dispozitiv semiconductor care rămâne blocat în absența unei comenzi aplicate pe poartă. Acest comportament este important pentru siguranță, deoarece dispozitivul nu conduce curent în mod implicit.

Mod de epuizare: Regim de funcționare în care un dispozitiv este în mod normal în conducție și are nevoie de o polarizare a porții pentru a opri fluxul de curent. Este întâlnit, de exemplu, la anumite tipuri de JFET-uri.

Configurație cascode: Configurație în care două dispozitive semiconductoare sunt conectate astfel încât să combine avantajele fiecăruia. În acest articol, un MOSFET de siliciu de joasă tensiune poate fi conectat în serie cu un JFET SiC pentru a obține un comportament de tip normal blocat.

Latch-up: Fenomen nedorit prin care o structură parazită internă a unui dispozitiv semiconductor poate intra într-o stare de conducție necontrolată. Poate fi declanșat de tranziții rapide de tensiune sau de curenți paraziți și poate duce la defectarea dispozitivului.

Parametri electrici și regimuri de funcționare

Câmp electric de străpungere: Proprietate a materialului semiconductor care indică nivelul maxim al câmpului electric suportat înainte de străpungere. Materialele SiC și GaN au un câmp electric de străpungere mult mai ridicat decât siliciul.

Tensiune de străpungere: Tensiunea la care un dispozitiv concret intră în regim de străpungere. Spre deosebire de câmpul electric de străpungere, care este o proprietate a materialului, tensiunea de străpungere depinde de structura și geometria dispozitivului.

Regiune de drift: Zonă a dispozitivului semiconductor care susține tensiunea în stare blocată. În materialele cu câmp electric de străpungere ridicat, această regiune poate fi mai subțire și cu rezistență mai mică.

Rezistență în stare de conducție: Rezistența electrică a dispozitivului atunci când acesta conduce curent. O valoare mai mică reduce pierderile de conducție și contribuie la creșterea eficienței sistemului.

Curent de scurgere în stare blocată: Curent mic care circulă prin dispozitiv atunci când acesta este în stare blocată. Un curent de scurgere redus este important pentru eficiență și siguranță în aplicații de înaltă tensiune.

Regimuri de funcționare și comportament la comutare

Primul cadran: Regiune a caracteristicii curent-tensiune în care dispozitivul conduce curent în sens direct. În cazul IGBT-urilor, conducția are loc în principal în primul cadran.

Al treilea cadran: Regiune a caracteristicii curent-tensiune în care dispozitivul conduce curent în sens invers. MOSFET-urile pot funcționa în al treilea cadran, permițând conducție inversă prin canal.

Conducție inversă: Capacitatea unui dispozitiv de a permite trecerea curentului în sens invers. Este importantă în aplicații unde fluxul de curent poate fi bidirecțional.

Comutație inductivă fără limitare – UIS: Test sau regim de funcționare în care dispozitivul trebuie să suporte energia generată de o sarcină inductivă fără ajutorul unui circuit extern de limitare. UIS este abrevierea de la Unclamped Inductive Switching.

Străpungere în avalanșă: Fenomen în care purtătorii de sarcină generați într-un câmp electric ridicat produc o multiplicare rapidă a curentului. În dispozitivele de putere, acest regim trebuie controlat cu atenție pentru a evita defectarea.

Capsulare, materiale și management termic

Cip: Elementul semiconductor activ al dispozitivului. În literatura tehnică în limba engleză, acesta este denumit frecvent die.

Material de atașare a cipului: Material utilizat pentru fixarea mecanică și conectarea termică a cipului pe substrat. Are un rol important în evacuarea căldurii și în fiabilitatea modulului.

Substrat: Element structural al modulului de putere care susține cipurile și contribuie la transferul termic și la izolarea electrică.

Placă de bază: Componentă mecanică și termică a modulului de putere, utilizată pentru disiparea căldurii și pentru montarea modulului pe sistemul de răcire.

CTE – Coefficient of Thermal Expansion / Coeficient de dilatare termică: Parametru care indică modul în care un material se dilată la creșterea temperaturii. Alegerea unor materiale cu CTE apropiat reduce stresul termic și crește fiabilitatea modulului.

AlN – Nitrură de aluminiu: Material ceramic utilizat ca substrat în modulele de putere, apreciat pentru conductivitatea termică ridicată și proprietățile de izolație electrică.

Si₃N₄ – Nitrură de siliciu: Material ceramic utilizat în substraturi pentru module de putere. Oferă o combinație bună între rezistență mecanică, performanță termică și fiabilitate.

AlSiC – Carbură de siliciu și aluminiu: Material compozit utilizat pentru plăci de bază în module de putere. Are un coeficient de dilatare termică favorabil și contribuie la creșterea fiabilității în aplicații solicitante.

DO-160: Standard utilizat în industria aerospațială pentru testarea echipamentelor electronice în condiții de mediu specifice, precum temperatură, vibrații, șocuri și compatibilitate electromagnetică.

Protecție și proiectare de sistem

Circuit snubber: Circuit utilizat pentru absorbția sau amortizarea supratensiunilor și tranzițiilor rapide generate în timpul comutării, mai ales în prezența inductanțelor parazite.

Circuit de limitare: Circuit care limitează tensiunea la bornele unui dispozitiv în timpul unor tranziții rapide sau evenimente de supracurent. În articol, acesta este folosit pentru protejarea modulului SiC împotriva energiei inductive.

Distanțe de izolație pe suprafață și prin aer: Distanțe necesare pentru asigurarea izolației electrice între conductori. Distanța pe suprafață corespunde traseului pe materialul izolator, iar distanța prin aer corespunde separării directe în aer.

Inductanță parazită: Inductanță nedorită introdusă de conexiuni, trasee, capsule sau structura fizică a sistemului. Poate genera supratensiuni la întreruperea curenților mari.

Capacitate parazită: Capacitate electrică nedorită între elementele unui circuit. Poate influența comportamentul la comutare, viteza tranzițiilor și stabilitatea sistemului.

Rezistență de șunt: Rezistență de valoare mică utilizată pentru măsurarea curentului. Căderea de tensiune pe rezistența de șunt este proporțională cu curentul care trece prin circuit.

Protecție la supracurent: Funcție de protecție care detectează depășirea unui prag de curent și comandă oprirea sau limitarea sistemului pentru a preveni deteriorarea componentelor.

Siguranță funcțională: Ansamblu de cerințe și măsuri de proiectare care urmăresc funcționarea sigură a sistemului, inclusiv în condiții de defect. Este importantă în aplicații auto, industriale și de stocare a energiei.