כיצד לתכנן רכיבי SiC MOSFET‏ לשיפור הנצילות של מהפכי הינע ברכבים חשמליים (EV)

המהנדסים מתמודדים עם הפשרות בין הביצועים לבין הטווח של רכבים חשמליים מודרניים. תאוצה מהירה יותר ומהירות שיוט גבוהה יותר דורשות עצירות טעינה תכופות יותר הגוזלות זמן. לחלופין, טווח ארוך יותר עולה במחיר של התקדמות מתונה יותר. כדי להגדיל את הטווח, ועדיין להציע לנהגים ביצועים טובים יותר, המהנדסים צריכים לתכנן מערכות הינע המבטיחות להעביר כמה שיותר אנרגיית סוללות לגלגלים המונעים. לא פחות חשוב הוא הצורך לשמור על מערכות הינע מספיק קטנות כדי שיתאימו לאילוצי הרכב. שתי דרישות אלו דורשות רכיבים בעלי נצילות גבוהה וצפיפות אנרגיה גבוהה.

רכיב המפתח במערכת הינע לרכבים חשמליים (EV) הוא מהפך מקור המתח התלת-פאזי (או "מהפך הינע"), הממיר את מתח DC של הסוללות ל- AC הנדרש עבור המנוע(ים) החשמלי(ים) של הרכב. בניית מהפך הינע יעיל היא קריטית להקטנת הפשרה בין ביצועים לבין טווח, ואחד המסלולים העיקריים לשיפור הנצילות הוא שימוש נכון בהתקני מוליכים-למחצה סיליקון קרביד (SiC) עם פער-אנרגיה (Bandgap‏) רחב (WBG‏).

מאמר זה מתאר את תפקידו של מהפך הינע EV. לאחר מכן הוא מסביר כיצד תכנון היחידה עם טרנזיסטורי אפקט-שדה מוליכים-למחצה תחמוצת מתכת (MOSFET‏) SiC‏ יכול להניב מערכות הינע EV יעילות יותר מאשר זו עם טרנזיסטורים ביפולריים מבודדים (IGBT‏). המאמר מסכם עם דוגמה של מהפך הינע מבוסס SiC MOSFET, וטיפים לתכנון כיצד למקסם את נצילות היחידה.

מהו מהפך הינע?

מהפך הינע של רכב חשמלי (EV‏) ממיר את זרם DC המסופק על ידי סוללות המתח הגבוה (HV) של הרכב לזרם AC הנדרש על ידי המנוע החשמלי כדי לייצר את המומנט הדרוש להנעת הרכב. לביצועים החשמליים של מהפך ההינע יש השפעה משמעותית על התאוצה וטווח הנסיעה של הרכב.

מהפכי הינע קיימים נדחפים על ידי מערכות סוללות של 400 וולט, או יותר לאחרונה, תכני 800 וולט. עם זרמי מהפכי הינע של 300 אמפר (A) או יותר, התקן המוזן על ידי מערכת סוללות של 800 וולט מסוגל לספק מעל 200 קילו-וואט (kW‏) של הספק. ככל שההספק עלה, גודל המהפכים התכווץ, תוך הגדלה משמעותית של צפיפות ההספק.

רכבי EV‏ עם מערכות סוללות של 400 וולט דורשים מהפכי הינע עם התקני מוליכים-למחצה להספק עם דירוגים בתחום של 600 עד 750 וולט, בעוד שרכבים של 800 וולט דורשים התקני מוליכים-למחצה עם דירוגים של 900 עד 1200 וולט. רכיבי ההספק המשמשים בהפכי הינע חייבים להיות מסוגלים להתמודד גם עם זרמי AC שיא של מעל A‏ 500‏ למשך 30 שניות וזרם AC מקסימלי של A‏ 1600‏ למשך 1 מילי-שנייה (ms). בנוסף, טרנזיסטורי המיתוג ודוחפי השער המשמשים את ההתקן חייבים להיות מסוגלים לטפל בעומסים גדולים אלה תוך שמירה על נצילות מהפך הינע גבוהה (טבלה 1).

טבלה 1: דרישות מהפך הינע טיפוסיות לשנת 2021; צפיפות האנרגיה מראה גידול של 250% בהשוואה לשנת 2009. (מקור התמונה: Steven Keeping)

מהפך הינע מורכב בדרך כלל משלושה אלמנטי חצי-גשר (מתגי צד-גבוה פלוס צד-נמוך), אחד עבור כל פאזת מנוע, עם דוחפי שער המבקרים את מיתוג צד-נמוך של כל טרנזיסטור. המכלל כולו חייב להיות מבודד גלוונית ממעגלי המתח הנמוך (LV) המזינים את יתר מערכות הרכב (איור 1).

איור 1‏: רכב חשמלי דורש מהפך מקור מתח (מהפך הינע) תלת-פאזי כדי להמיר את הספק סוללות DC‏ במתח-גבוה (HV‏) להספק AC‏ הנדרש על ידי המנוע(ים) החשמלי(ים) של הרכב. מערכת ה- HV, כולל מהפך ההינע, מבודדת ממערכת ה- 12 וולט הקונבנציונלית של הרכב. (מקור התמונה: ON Semiconductor)

המתגים בדוגמה המוצגת באיור 1 הם רכיבי IGBT‏. אלה היו הבחירה הנפוצה עבור מהפך הינע מכיוון שהם מסוגלים לטפל במתחים גבוהים, למתג במהירות, להציע נצילות טובה והם זולים יחסית. עם זאת, ככל שהעלות של רכיבי MOSFET להספק SiC ירדה והם הפכו לזמינים יותר מסחרית, המהנדסים פונים לרכיבים אלה בגלל היתרונות הבולטים שלהם על פני IGBT.

היתרונות של SiC MOSFET עבור דוחפי שער עם נצילות גבוהה

יתרונות הביצועים העיקריים של רכיבי MOSFET להספק SiC‏ על פני רכיבי MOSFET ו- IGBT סיליקון (Si‏) קונבנציונליים נגזרים ממצע המוליכים-למחצה WBG של ההתקנים. לרכיבי MOSFET‏ Si‏ יש פער-אנרגיה (Bandgap) של 1.12 אלקטרון-וולט (eV‏) לעומת eV‏ 3.26‏ של רכיבי SiC MOSFET‏. המשמעות היא שטרנזיסטור WBG יכול לעמוד במתחי פריצה גבוהים בהרבה לעומת התקני Si, כמו גם במתח שדה פריצה הגדול פי עשרה לעומת Si‏. מתח שדה פריצה גבוה מאפשר הקטנה של עובי ההתקן עבור מתח נתון, המקטין את התנגדות מצב-מופעל (_(ON‏)DS‏R) ובכך מקטין את הפסדי המיתוג ומשפר את יכולת נשיאת הזרם.

יתרון עיקרי נוסף של SiC הוא המוליכות התרמית שלו, הגבוהה פי שלוש מזו של Si‏. מוליכות תרמית גבוהה יותר גורמת לעליה קטנה יותר של טמפרטורת הצומת (_j‏T‏) עבור פיזור הספק נתון. רכיבי SiC MOSFET‏ יכולים גם לסבול טמפרטורת צומת מקסימלית גבוהה יותר (_(j(max‏T‏) לעומת Si‏. ערך _(j(max‏T‏ טיפוסי עבור Si MOSFET‏ הוא C‏°‏150‏; התקני SiC‏ יכולים לעמוד ב- _(j(max‏T‏ של עד C‏°‏600‏, למרות שהתקנים מסחריים הם בדרך כלל בדירוג של C‏°‏175‏ עד C‏°‏200‏. טבלה 2 מספקת השוואת מאפיינים בין Si ו- 4H-SiC‏ (הצורה הגבישית של SiC הנפוצה עבור ייצור MOSFET).

טבלה 2‏: מאפייני Si MOSFET‏ של שדה פריצה, מוליכות תרמית טמפרטורת צומת מקסימלית ההופכים אותו לבחירה טובה יותר לעומת Si‏ עבור יישומי מיתוג זרם גבוה ומתח-גבוה. (מקור התמונה: ON Semiconductor)

מתח פריצה גבוה, _(DS(ON‏R‏ נמוך, מוליכות תרמית גבוהה ו- _(j(max‏T גבוה מאפשרים ל- SiC MOSFET לטפל טוב יותר בזרם ומתח גבוהים בהרבה לעומת Si MOSFET בגודל דומה.

רכיבי IGBT מסוגלים גם כן לטפל בזרמים גבוהים ומתחים גבוהים, והם נוטים להיות יקרים פחות לעומת רכיבי SiC MOSFET‏ - הסיבה העיקרית לכך שהם מועדפים בתכני מהפכי הינע. החיסרון של רכיבי IGBT, במיוחד כאשר המפתח מעוניין למקסם את צפיפות האנרגיה, הוא המגבלה על תדר הפעולה המקסימלי עקב "זרם הזנב" וזמן כיבוי איטי יחסית שלהם. לעומת זאת, SiC MOSFET מסוגל לטפל במיתוג בתדר גבוה בדומה ל- Si MOSFET, אך עם יכולת הטיפול והזרם של IGBT.

זמינות רחבה יותר של רכיבי SiC MOSFET‏

עד לאחרונה, המחיר הגבוה יחסית של רכיבי SiC MOSFET הגביל את השימוש בהם למהפכי הינע עבור רכבי EV יוקרתיים, אך ירידת המחירים הפכה את רכיבי SiC MOSFET לאפשרות עבור מגוון רחב יותר.

שתי דוגמאות לדור החדש הזה של רכיבי MOSFET להספק מגיעות מחברת ON Semiconductor‏: ה- NTBG020N090SC1‏ ו- NTBG020N120SC1‏. ההבדל העיקרי בין שני ההתקנים הוא שלראשון יש מתח פריצה מרזב-למקור (_{(DSS‏(BR‏)}V‏ מקסימלי של 900 וולט, עם מתח שער-למקור (_GS‏V‏) של 0 וולט וזרם מרזב (_D‏I‏) רצוף של 1 מיליאמפר (mA), בעוד שלאחרון יש _{(DSS‏(BR‏} V‏ מקסימלי של 1200 וולט (באותם תנאים). _j‏T‏ המקסימלי עבור שני ההתקנים הוא C‏°‏175‏. שני ההתקנים הם רכיבי MOSFET‏ תעלת-N‏ יחידים במארז D2PAK-7L‏ (איור 2‏).

איור 2‏: שני רכיבי MOSFET להספק SiC‏ תעלת-N‏ NTBG020N090SC1 ו- NTBG020N120SC1 מגיעים במארז D2PAK-7L‏ וההבדל העיקרי ביניהם הוא ערכי _{DSS‏(BR‏)}V‏ של 900 וולט ו- 1200 וולט, בהתאמה. (מקור התמונה: Steven Keeping, עם חומרים מבית ON Semiconductor)

ל- NTBG020N090SC1 יש _(DS(ON‏R‏ של 20 מילי-אוהם (mΩ‏) ב- _GS‏V‏ של 15 וולט (_D‏I‏=A‏ 60‏, _j‏T‏=C‏°‏25‏), ו- _(DS(ON‏R‏ של mΩ‏ 16 עם _GS‏V‏ של 18 וולט (_D‏I‏=A‏ 60‏, _j‏T‏=C‏°‏25‏). זרם קדומני דיודת מרזב-מקור (_SD‏I‏) רצוף מקסימלי הוא A‏ 148‏ _GS‏V‏= 5- וולט, _j‏T‏=C‏°‏25‏), וזרם קדומני דיודת מרזב-מקור (_SDM‏I‏) בפולסים מקסימלי הוא A‏ 448‏ (_GS‏V‏= 5- וולט, _j‏T‏= C‏°‏25‏). ל- NTBG020N120SC1 יש _(DS(ON‏R‏ של mΩ‏ 28‏ ב- _GS‏V‏ של 20 וולט (_D‏I‏=A‏ 60‏, _j‏T‏=C‏°‏25‏). _SD‏I‏ מקסימלי הוא A‏46‏ (_GS‏V‏=5- וולט, _j‏T‏=C‏°‏25‏), ו- _SDM‏I‏ מקסימלי הוא A‏392‏ (_GS‏V‏=5- וולט, _j‏T‏=C‏°‏25‏).

התכנון עם רכיבי SiC MOSFET‏

למרות היתרונות שלהם, מתכננים המעוניינים לשלב SiC MOSFET בתכני מהפכי ההינע שלהם צריכים להיות מודעים לסיבוך משמעותי; לטרנזיסטורים יש דרישות דוחף שער מורכבות. כמה מהאתגרים הללו נובעים מהעובדה שבהשוואה לרכיבי MOSFET‏ Si‏, רכיבי SiC MOSFET‏ מציגים Transconductance נמוך יותר, התנגדות שערים פנימית גבוהה יותר וסף ההפעלה של השער יכול להיות פחות מ- 2 וולט. כתוצאה מכך, יש למשוך את השער מתחת להארקה (בדרך כלל ל- 5‏- וולט) במהלך אופן כיבוי כדי להבטיח מיתוג נכון.

עם זאת, אתגר דוחף השער העיקרי נובע מהעובדה שיש ליישם _GS‏V‏ גדול (עד 20 וולט) כדי להבטיח _(DS(ON‏R‏ נמוך. הפעלת SiC MOSFET ב- _GS‏V‏ נמוך מדי עלולה לגרום למאמץ תרמי או אפילו לתקלה עקב פיזור ההספק (איור 3).

איור 3‏: עבור ה- SiC MOSFET‏ NTBG020N090SC1‏, נדרש _GS‏V‏ גבוה כדי למנוע מאמץ תרמי כתוצאה מ- _(DS(ON‏R‏ גבוה. (מקור התמונה: ON Semiconductor)

יתר על כן, מכיוון ש- SiC MOSFET הוא התקן הגבר-נמוך, על המתכנן להביא בחשבון את ההשפעה שיש לזה על עוד כמה מאפיינים דינמיים חשובים בעת תכנון מעגל דוחף השער. מאפיינים אלה כוללים את רמת מטען Miller Plateau‏ ואת הדרישה להגנה מפני זרם-יתר.

סיבוכי תכנון אלה דורשים דוחף שער מיוחד עם התכונות הבאות:

• יכולת לספק דחיפת _GS‏V‏ של 5‏- עד 20 וולט כדי לנצל את מלוא יתרונות הביצועים של ה- SiC MOSFET. כדי לספק מרווח ביטחון מתאים לעמידה בדרישה זו, מעגל דוחף השער חייב לעמוד ב- _DD‏V‏=25 וולט, ו- _EE‏V‏=10‏- וולט.
• ה- _GS‏V‏ חייב להיות בעל קצוות עלייה וירידה מהירים, בסדר גודל של כמה ננו-שניות (ns‏).
• דוחף השער חייב להיות מסוגל לספק זרם שער שיא גבוה בסדר גודל של כמה אמפר, על פני מלוא אזור Miller Plateau‏ של ה- MOSFET‏.
• דירוג זרם המרזב צריך לעלות על זה שיידרש רק כדי לפרוק את קיבוליות הכניסה של ה- SiC MOSFET. יש לשקול דירוג זרם מרזב שיא מינימלי בסדר גודל של A‏ 10‏ עבור טופולוגיות הספקת-כוח חצי-גשר עם ביצועים עיליים.
• השראות פרזיטית נמוכה עבור מיתוג במהירות-גבוהה.
• מארז דוחף קטן שניתן למקם אותו קרוב ככל האפשר ל- SiC MOSFET‏ ולהגדיל את אנרגיית הדחיפה.
• פונקציית (Desaturation (DESAT המסוגלת לגלות, לדווח על תקלות ולהגן על פעולה אמינה לטווח-ארוך.
• רמת נעילת תת-מתח (UVLO‏) _DD‏V‏ התואמת לדרישה של _GS‏V‏ > 16 וולט לפני שהמיתוג מתחיל.
• יכולת ניטור UVLO‏ _EE‏V‏ כדי להבטיח שפס המתח השלילי יהיה בתוך תחום מתקבל על הדעת.

חברת ON Semiconductor הציגה דוחף שער המתוכנן לעמוד בדרישות אלו בתכנים של מהפכי הינע. לדוחף השער SiC MOSFET‏ NCP51705MNTXG‏ יש רמה גבוהה של אינטגרציה ההופכת אותו לתואם לא רק ל- SiC MOSFET שלהם, אלא גם למגוון רחב מיצרנים אחרים. ההתקן כולל פונקציות בסיסיות רבות המשותפות לדוחפי שערים למטרות כלליות, אך כולל גם את הדרישות המיוחדות הנחוצות עבור תכנון מעגל דוחף שער SiC MOSFET אמין תוך שימוש במינימום רכיבים חיצוניים.

לדוגמה, ה- NCP51705MNTXG משלב פונקציית DESAT הניתנת למימוש באמצעות שני רכיבים חיצוניים בלבד. ה- DESAT הוא צורה של הגנת זרם-יתר עבור רכיבי MOSFET‏ ו- IGBT‏ לניטור תקלות שבהן ה- _DS‏V‏ יכול לעלות במקסימום של _D‏I‏. זה יכול להשפיע על הנצילות, ובמקרה הגרוע ביותר, אפילו להזיק ל- MOSFET. איור 4 מראה כיצד ה- NCP51750MNTXG מנטר את ה- _DS‏V‏ של ה- MOSFET‏ (Q1) דרך פין DESAT‏ ודרך R1 ו- D1.

איור 4: פונקציית DESAT של NCP51705MNTXG מודדת את ה- _DS‏V‏ עבור התנהגות חריגה במהלך פרקי זמן של _D‏I‏ מקסימלי ומממשת הגנת זרם-יתר. (מקור התמונה: ON Semiconductor)

דוחף השער NCP51705MNTXG כולל גם UVLO ניתן-לתכנות. זהו מאפיין חשוב כאשר דוחפים רכיבי SiC MOSFET‏ מכיוון שיש להשבית את יציאת רכיבי המיתוג עד ש- _DD‏V‏ יהיה מעל סף ידוע. מתן אפשרות לדוחף למתג את ה- MOSFET ב- _DD‏V‏ נמוך עלול לגרום לנזק להתקן. ה UVLO הניתן-לתכנות של ה- NCP51705MNTXG לא רק מגן על העומס אלא גם מוודא לבקר כי ה- _DD‏V‏ המיושם הוא מעל סף ההפעלה. סף ההפעלה של ה- UVLO מוגדר עם נגד אחד בין UVSET ל- SGND (איור 5).

איור 5: סף ההפעלה של ה- UVLO עבור ה- NCP51705MNTXG SiC MOSFET מוגדר על ידי הנגד UVSET‏, _UVSET‏, הנבחר בהתאם למתח ההפעלה הרצוי של ה- UVLO‏, _ON‏V‏. (מקור התמונה: ON Semiconductor)

בידוד דיגיטלי עבור מהפכי הינע

להשלמת תכן מהפך הינע, על המהנדס לוודא כי צד המתח הנמוך (LV) של אלקטרוניקת הרכב מבודד מהמתחים והזרמים הגבוהים העוברים דרך המהפך (איור 2 לעיל). עם זאת, מכיוון שהמיקרו-מעבד המבקר את דוחפי השער במתח גבוה (HV) נמצא בצד ה- LV, כל בידוד חייב לאפשר מעבר של אותות דיגיטליים מהמיקרו-מעבד אל דוחפי השער. חברת ON Semiconductor מציעה רכיב גם עבור פונקציה זו, NCID9211R2, מבודד דיגיטלי קרמי דו-כיווני במהירות גבוהה עם שני ערוצים.

ה- NCID9211R2 הוא מבדד דיגיטלי דופלקס-מלא מבודד גלוונית המאפשר לאותות דיגיטליים לעבור בין המערכות מבלי לגרום לחוגי הארקה או מתחים מסוכנים. להתקן יש בידוד עבודה מקסימלי של 2000 וולט _שיא, דחיית אופן-משותף (CM‏) של 100 קילו-וולט/מילי-שניות (kV/ms) ותפוקת נתונים של 50 מגה-ביט לשנייה (Mbit/s).

קבלים קרמיים מחוץ-לשבב יוצרים את מחסום הבידוד כפי שמוצג באיור 6.

איור 6‏: דיאגרמת בלוקים המתאר ערוץ בודד של המבדד הדיגיטלי NCID9211R2 מבית ON Semiconductor. קבלים מחוץ-לשבב יוצרים את מחסום הבידוד. (מקור התמונה: ON Semiconductor)

האותות הדיגיטליים מועברים על פני מחסום הבידוד באמצעות אפנון On-Off Keying‏ (OOK‏). בצד המשדר, לוגיקת הכניסה _IN‏V‏ מאופננת עם אות נושא בתדר-גבוה. האות הנוצר מוגבר ומועבר למחסום הבידוד. צד המקלט מגלה את אות המחסום ומבצע דה-מודולציה באמצעות טכניקת גילוי מעטפות (איור 7). אות היציאה קובע את לוגיקת היציאה _O‏V‏ כאשר בקרת אפשור היציאה EN היא גבוהה. ברירת מחדל של ה- _O‏V‏ למצב נמוך עם אימפדנס גבוה היא כאשר הספקת-הכוח למשדר מופסקת, או כאשר כניסת _IN‏V‏ מנותקת.

איור 7: המבדד הדיגיטלי NCID9211‏ משתמש באפנון OOK כדי להעביר מידע דיגיטלי על פני מחסום הבידוד. (מקור התמונה: ON Semiconductor)

סיכום

רכיבי MOSFET להספק SiC‏ הם אופציה טובה עבור מהפכי הינע עם נצילות גבוהה וצפיפות הספק גבוהה עבור רכבי EV, אך המאפיינים החשמליים שלהם מביאים אתגרי תכנון ייחודיים ביחס לדוחפי השער והגנת ההתקנים. בנוסף לאתגרי התכנון, על המהנדסים להבטיח שתכן מהפך ההינע שלהם מציע בידוד ברמה גבוהה מאלקטרוניקת המתח הנמוך (LV) הרגישה של הרכב.

כפי שהוצג, כדי להקל על הפיתוח ההנדסי, חברת ON Semiconductor מציעה מגוון של רכיבי SiC MOSFET‏, דוחפי שער מיוחדים ומבודדים דיגיטליים כדי לענות על הדרישות של מהפכי הינע, ולייצר איזון טוב יותר בין הביצועים לבין טווח גדול וביצועים עיליים עבור רכבי EV מודרניים.