כיצד להפוך את תשתית האנרגיה ליעילה ואמינה יותר תוך הפחתת העלויות

מתכנני תשתיות אנרגיה, מתחנות טעינה לרכב חשמלי (EV) ומהפכים סולאריים ועד לאחסון אנרגיה ומערכות אל-פסק, מאותגרים ללא הרף להפחית את חתימת הפחמן, לשפר את האמינות ולהוריד את העלות.

כדי להשיג את המטרות הללו, הם צריכים לבחון מקרוב כיצד הם יכולים לייעל את פתרונות המרת ההספק שלהם כדי להפחית הפסדי הולכה ומיתוג, לשמור על ביצועים תרמיים טובים, להקטין את גורם הצורה הכולל ולהפחית הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI). עליהם גם להבטיח שהפתרון הנבחר מסוגל לעמוד בתהליך אישור חלקי הייצור (PPAP) ולהיות מורשה ל-AEC-Q101.

כדי לעמוד באתגרים הללו, המתכננים יכולים לפנות למגוון של רכיבי הספקת-כוח סיליקון קרביד (SiC‏), דיודות SiC Schottky‏, מעגלים-משולבים (IC‏) של דוחף שער ומודולי הספקת-כוח.

מאמר זה יסקור בקצרה כיצד טכנולוגיית SiC יכולה לשפר את הנצילות והאמינות ולהפחית עלויות, בהשוואה לגישות הקלאסיות של סיליקון (Si). לאחר מכן הוא יבחן אפשרויות מארזים ושילוב מערכות עבור SiC, לפני הצגת מספר דוגמאות מהעולם האמיתי מבית onsemi ויראה כיצד המתכננים יכולים ליישם אותן בצורה הטובה ביותר כדי למטב את ביצועי MOSFET להספק SiC ודוחפי השער כדי לעמוד באתגר תשתית האנרגיה.

SiC לעומת Si

SiC הוא חומר עם פער-אנרגיה רחב (WBG‏) עם פער-אנרגיה של 3.26 אלקטרון-וולט (eV) בהשוואה ל-eV‏ 1.12 של Si. הוא גם מציע יכולת שדה פריצה של 10x, מעל 3x‏ מהמוליכות התרמית, ויכול לפעול בטמפרטורות גבוהות בהרבה בהשוואה ל-Si. מפרטים אלה הופכים את ה-SiC למתאים היטב לשימוש ביישומי תשתית אנרגיה (טבלה 1).

טבלה 1: מאפייני החומר של 4H-SiC בהשוואה ל-Si הופכות את ה-SiC למתאים היטב לשימוש ביישומי תשתית אנרגיה. (מקור התמונה: onsem)

שדה הפריצה הגבוה יותר מאפשר התקני SiC דקים יותר לקבל את אותו דירוג מתח כמו התקני Si עבים יותר, ולהתקני SiC הדקים יותר יש התנגדות מצב-מופעל נמוכה יותר ויכולת זרם גבוהה יותר בהתאמה. פרמטר הניידות של SiC הוא באותו סדר גודל כמו Si, מה שהופך את שני החומרים לשימושיים בהמרת הספק בתדר גבוה, עם תמיכה בגורמי צורה קומפקטיים. המוליכות התרמית הגבוהה יותר שלהם פירושה שבהתקני SiC עליית הטמפרטורה היא נמוכה יותר ברמות זרם גבוהות יותר. טמפרטורת הפעולה של התקני SiC מוגבלת על ידי גורמי המארז כגון חיבורי החוטים, ולא מאפייני החומר של SiC. כתוצאה מכך, בחירת סגנון המארז האופטימלי היא שיקול חשוב עבור המתכננים בעת שימוש ב- SiC.

מאפייני החומר של SiC הופכים אותו לבחירה מעולה עבור תכני המרת הספק רבים במתח גבוה, במהירות גבוהה, בזרם גבוה ובצפיפות גבוהה. במקרים רבים, השאלה היא לא האם להשתמש ב-SiC, השאלה היא איזו טכנולוגיית מארז של SiC מספקת את פשרות הביצועים והעלות האופטימליים.

למתכננים יש שלוש אפשרויות מארזים בסיסיות בעת שימוש בטכנולוגיית הספק SiC; התקנים בדידים, מודולי הספקת-כוח חכמים (IPM) או מודולי הספקת-כוח משולבים (PIM), שכל אחד מהם מציע סט ייחודי של פשרות עלויות וביצועים (טבלה 2). לדוגמה:

• התקנים בדידים עדיפים בדרך כלל כאשר העלות היא שיקול עיקרי, כגון יישומים לצרכנים. הם גם תומכים במיקור כפול ויש להם אורך חיים ארוך.
• פתרונות IPM מקצרים את זמן התכנון, הם בעלי האמינות הגבוהה ביותר והם הפתרונות הקומפקטיים ביותר עבור רמות הספק בינוני.
• PIM יכולים לתמוך בתכני הספק גבוה יותר עם צפיפות הספק טובה, זמן יציאה לשוק מהיר למדי, מגוון רחב של אפשרויות תכנים ויותר אפשרויות למיקור כפול, בהשוואה ל-IPM.

טבלה 2: השוואה של מאפיינים ופשרות אינטגרציה בעת בחירה בין פתרונות מארזים בדידים, IPM ו-PIM SiC. (מקור התמונה: onsemi‏)

IPM היברידיים Si/SiC

אמנם ניתן לפתח פתרונות תוך שימוש בהתקני SiC בלבד, לעיתים משתלם יותר להשתמש בתכני Si/SiC היברידיים. לדוגמה, ה-IPM ההיברידי NFL25065L4BT מבית onsemi משלב רכיבי Si IGBT מהדור הרביעי עם דיודת Boost‏ SiC על היציאה כדי ליצור דרגת כניסה עם תיקון גורם הספק (PFC) מסורג (Interleaved) עבור יישומים תעשייתיים, רפואיים ולצרכנים (איור 1). IPM קומפקטי זה כולל דוחף שער הממוטב עבור ה-IGBT כדי להקטין למינימום את ה-EMI וההפסדים. מאפייני הגנה משולבים כוללים נעילת תת-מתח, כיבוי זרם-יתר, ניטור תרמי ודיווח תקלות. מאפיינים אחרים של ה-NFL25065L4BT כוללים:

• PFC‏ מסורג (Interleaved) דו-פאזי 600 וולט/50 אמפר (A)
• ממוטב עבור תדר מיתוג של 20 קילו-הרץ (kHz‏)
• התנגדות תרמית נמוכה באמצעות מצע נחושת בחיבור ישיר של תחמוצת אלומיניום (DBC)
• תרמיסטור מקדם טמפרטורה שלילי (NTC) משולב עבור ניטור טמפרטורה
• דירוג בידוד של 2500 וולט שורש ממוצע הריבועים (rms‏)/‎1 minute‏
• הרשאת UL

איור 1: ה-NFL25065L4BT IPM יוצר דרגת PFC מסורג (Interleaved) באמצעות Si IGBT מהדור הרביעי עם דיודת Boost‏ SiC ביציאה. (מקור התמונה: onsemi‏)

SiC PIM

עבור מהפכים סולאריים, תחנות טעינה EV ויישומים דומים היכולים להפיק תועלת משימוש ב-PIM מבוסס SiC כדי למקסם העברת הספקת כוח עם חתימת-שטח מוקטנת ונפח כולל קטן יותר, המתכננים יכולים לפנות ל-NXH006P120MNF2PTG. התקן זה כולל חצי-גשר SiC MOSFET‏ 6 מילי-אוהם (mΩ‏), 1,200 וולט ותרמיסטור NTC‏ משולב במארז F2‏ (איור 2). אפשרויות המארזים כוללות:

• עם או בלי חומר ממשק תרמי (TIM) מיושם-מראש
• פינים ניתנים להלחמה או Press-Fit

איור 2: מודול הספקת-כוח משולב NXH006P120MNF2PTG מגיע במארז F2 עם פיני Press-Fit. (מקור התמונה: onsemi‏)

ל-IPM אלה יש טמפרטורת צומת פעולה מקסימלית של 175 מעלות צלזיוס (°C) והם דורשים בקרה חיצונית ודוחפי שער. טכנולוגיית Press-Fit‏, הנקראת גם ריתוך קר, מספקת חיבור אמין בין הפינים לבין החורים-העוברים המצופים על לוח המעגלים המודפסים. Press-fit מספק הרכבה פשוטה ללא הלחמה ומייצר חיבור מתכת למתכת אטום לגז עם התנגדות נמוכה.

דיודות SiC Schottky

דיודות SiC Schottky יכולות לשמש בשילוב עם IPM, או בתכנים בדידים 100%, והן מספקות ביצועי מיתוג טובים יותר ואמינות גבוהה יותר בהשוואה לדיודות Si. לדיודות SiC Schottky, כדוגמת ה- NDSH25170A‏ 1700 וולט/A‏ 25‏ אין זרם התאוששות-אחורנית, ביצועים תרמיים מצוינים ומאפייני מיתוג בלתי-תלויים בטמפרטורה. אלה מתורגמים לנצילות גבוהה יותר, תדרי מיתוג מהירים יותר, צפיפות הספק גבוהה יותר, EMI נמוך יותר וחיבור במקביל קל, כל אלו תורמים להפחתת גודל הפתרון ועלותו (איור 3). המאפיינים של ה-NDSH25170A כוללים:

• טמפרטורת צומת מקסימלית 175°C
• דירוג מפולת 506 מילי-ג'אול (mJ)
• זרמי נחשול לא-חוזרים עד A‏ 220 וזרמי נחשול חוזרים עד A‏ 66
• מקדם טמפרטורה חיובי
• ללא התאוששות-אחורנית וללא התאוששות-קדומנית
• הרשאת AEC-Q101 ויכולת PPAP

איור 3‏: לדיודת SiC Schottky‏ NDSH25170A‏ 1,700 וולט/A‏ 25‏ אין זרם התאוששות-אחורנית, ביצועים תרמיים מצוינים ומאפייני מיתוג בלתי-תלויים בטמפרטורה. (מקור התמונה: onsemi‏)

רכיבי SiC MOSFET‏ בדידים

המתכננים יכולים לשלב דיודות SiC Schottky בדידות עם רכיבי SiC MOSFET‏ V‏ 1,200‏ מבית onsemi אשר גם הם בעלי ביצועי מיתוג מעולים, התנגדות מצב-מופעל (ON) נמוכה יותר ואמינות גבוהה יותר בהשוואה להתקני Si. גודל השבב הקומפקטי של SiC MOSFET מייצר קיבוליות ומטען שער נמוכים. בשילוב עם התנגדות מצב-מופעל הנמוכה שלהם, הקיבוליות ומטען השער הנמוכים יותר עוזרים להגדיל את נצילות המערכת, לאפשר תדרי מיתוג מהירים יותר, להגדיל את צפיפות ההספק, להפחית הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI), ולאפשר גורמי צורה קטנים יותר. לדוגמה, ה-NTBG040N120SC1 מדורג עבור 1,200 וולט ו-A‏ 60 והוא מגיע במארז הרכבה-משטחית D2PAK−7L (איור 4). המאפיינים כוללים:

• מטען שער טיפוסי של 106 ננו-קולומב (nC)
• קיבוליות יציאה טיפוסית של 139 פיקו-פאראד (pF)
• בדיקת מפולת 100%
• פעולה בטמפרטורת צומת של 175°C
• הרשאת AEC-Q101‏

איור 4: ה- NTBG040N120SC1 SiC MOSFET מדורג עבור 1,200 וולט/A‏ 60, בעל התנגדות מצב-מופעל של mΩ‏ 40 והוא מגיע במארז הרכבה-משטחית D2PAK−7L. (מקור התמונה: onsemi‏)

דוחף שער SiC MOSFET‏

דוחפי שער עבור רכיבי SiC MOSFET‏, כגון קו ה-NCx51705‏ מבית onsemi‏, מספקים מתח דחיפה גבוה יותר לעומת דוחפי שער עבור רכיבי Si MOSFET‏. דרוש מתח שער של 18 עד 20 וולט כדי להפעיל באופן מלא SiC MOSFET, לעומת פחות מ-10 וולט הדרוש להפעלת Si MOSFET‏. בנוסף, רכיבי SiC MOSFET דורשים -3- עד 5- וולט של דוחף בעת כיבוי ההתקן. המתכננים יכולים להשתמש בדוחף NCP51705MNTXG‏ צד-נמוך יחיד A‏ 6‏ הממוטב עבור רכיבי SiC MOSFET (איור 5). ה-NCP51705MNTXG מספק את מתח הדחיפה המדורג המרבי כדי לאפשר הפסדי הולכה נמוכים, והוא מספק זרמי שיא גבוהים במהלך ההפעלה והכיבוי כדי להקטין למינימום את הפסדי המיתוג.

איור 5‏: סכמה מפושטת של שני מעגלים-משולבים (IC‏) של דוחף NCP51705MNTXG (באמצע מימין) הדוחפים שני רכיבי SiC MOSFET‏ (מימין) בטופולוגיית חצי-גשר. (מקור התמונה: onsemi‏)

המתכננים יכולים להשתמש ב-Charge-Pump‏ המשולב כדי ליצור פס מתח שלילי לבחירת המשתמש כדי לספק אמינות גבוהה יותר, חסינות dv/dt משופרת וכיבוי מהיר יותר. בתכנים מבודדים, פס 5 וולט נגיש חיצונית יכול להפעיל את הצד השניוני של מבדדים דיגיטליים או אופטיים במהירות גבוהה. פונקציות ההגנה ב-NCP51705MNTXG כוללות כיבוי תרמי המבוסס על טמפרטורת הצומת של מעגל הדוחף, וניטור נעילת תת-מתח של ה-Bias Power.

לוח הערכה ושיקולי דוחף שער SiC‏

כדי להאיץ את תהליך ההערכה והתכנון, המתכננים יכולים להשתמש בלוח ההערכה (EVB‏) NCP51705SMDGEVB עבור ה-NCP51705 (איור 6). ה-EVB כולל דוחף NCP51705 ואת כל מעגלי הדחיפה ההכרחיים, כולל מבודד דיגיטלי על-הלוח והיכולת להלחים כל SiC או Si MOSFET במארז TO−247. ה-EVB מתוכנן עבור שימוש בכל יישום ספק-כוח ממותג צד-נמוך או צד-גבוה. ניתן להגדיר תצורה של שניים או יותר מ-EVB אלו בדוחף Totem Pole‏.

איור 6: ל-NCP51705SMDGEVB EVB יש חורים (למעלה משמאל) לחיבור MOSFET הספק SiC או Si, והוא כולל את דוחף NCP51705‏ (U1, באמצע משמאל) ואת IC המבודד הדיגיטלי (באמצע מימין). (מקור התמונה: onsemi‏)

הקטנה למינימום של השראות וקיבוליות פרזיטיות בלוח המעגלים המודפסים היא חשובה כאשר משתמשים בדוחף שער NCP51705 עם רכיב SiC MOSFET (איור 7‏). כמה שיקולי פרישת לוח המעגלים המודפסים כוללים:

• ה-NCP51705 צריך להיות קרוב ככל האפשר ל-SiC MOSFET, עם תשומת לב מיוחדת לפסים מוליכים קצרים בין ה-VDD‏, SVDD‏, V5V‏, Charge Pump‏ וקבל VEE‏ וה-MOSFET‏.
• הפס המוליך בין VEE ל-PGND צריך להיות קצר ככל האפשר.
• צריכה להיות הפרדה בין פסים מוליכים עם dV/dt גבוה לבין כניסת הדוחף ו-DESAT כדי למנוע פעולה חריגה העלולה לגרום לצימוד רעש.
• עבור תכנים לטמפרטורה גבוהה, יש להשתמש במעברים (Vias) תרמיים בין הפדים החשופים לבין השכבה החיצונית כדי להקטין למינימום את האימפדנס התרמי.
• יש להשתמש בפסים מוליכים רחבים עבור OUTSRC‏, OUTSNK ו-VEE‏.

איור 7‏: פרישת לוח מעגלים מודפסים מומלצת עבור ה-NCP51705 כדי להקטין למינימום השראות וקיבוליות פרזיטיות עבור דחיפת רכיבי SiC MOSFET‏. (מקור התמונה: onsemi‏)

סיכום

SiC ממלא תפקיד חשוב בסיוע למתכננים לעמוד בדרישות של מספר הולך וגדל של יישומי תשתית אנרגיה. המתכננים יכולים כעת להשתמש בהתקני SiC עבור תכני המרת הספק יעילים יותר במתח גבוה, במהירות גבוהה ובזרם גבוה, כשהתוצאה היא גדלים קטנים יותר של פתרונות וצפיפויות הספק גבוהות יותר. עם זאת, בחירת סגנון המארז האופטימלי חשובה כדי להפיק את התועלת המקסימלית עם SiC.

כפי שהוצג, יש תחום של ביצועים, זמן יציאה לשוק ועלויות שיש לקחת בחשבון בעת בחירה בין התקנים בדידים, IPM ו-PIM. כמו כן, בעת שימוש בהתקנים בדידים או PIM, בחירת דוחף שער SiC והפרישה האופטימלית של לוח המעגלים המודפסים הן קריטיות על מנת להשיג ביצועי מערכת אמינים ויעילים.

קריאה מומלצת

1. כיצד לתכנן רכיבי SiC MOSFET‏ לשיפור הנצילות של מהפכי הינע ברכבים חשמליים (EV)
2. כיצד להבטיח התקנות BESS‏ מודולריות בטוחות ויעילות באמצעות מחברי קוטבי סוללות תקיעים