Anwendungsvorteile bei der Nutzung von SiC-MOSFETs der 4. Generation

ROHM hat die vierte Generation von SiC-MOSFETs auf den Markt gebracht. Sie hat eine 40 %ige Reduzierung des Durchgangswiderstands und eine 50 %ige Reduzierung der Schaltverluste im Vergleich zur 3. Generation erreicht. Dieser Artikel beschreibt einen experimentellen Test mit einem DC/DC-Abwärtswandler mit einer Eingangsspannung von 500 V und einer Leistung von 7 kW, einen simulierten Betriebstest mit einem EV-Antriebswechselrichter mit einem Eingang von 800 V und 100 kW und einen experimentellen Test mit einer Totem-Pole-PFC-Schaltung.

Da die Welt jedoch derzeit ihre Bemühungen zum Schutz der globalen Umwelt verstärkt, wird eine einfache Verbesserung des Komforts nicht ausreichen, um Akzeptanz auf dem globalen Markt zu erreichen. In Zukunft wird es neben der Verbesserung der Bequemlichkeit immer wichtiger werden, den Energieverlust zu reduzieren und die Energie effektiv zu nutzen. Der wichtigste Punkt, auf den Sie sich konzentrieren müssen, ist die Leistungsumwandlung. Bei allen oben genannten Anwendungen wird Strom aus dem Stromnetz, Batterien, Solarstromerzeugungsanlagen usw. zugeführt und für eine effektive Nutzung auf die optimale Spannung umgewandelt. Um Energieverluste zu reduzieren und die Effizienz der Leistungsumwandlung zu erhöhen, ziehen SiC-Leistungshalbleiter derzeit aufgrund ihrer Fähigkeit, bei hoher Frequenz, hoher Spannung und hoher Stromdichte mit geringem Energieverlust arbeiten zu können, Aufmerksamkeit auf sich. ROHM hat bereits SiC-Leistungshalbleiter auf den Markt gebracht, welche in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden.

Abbildung 1. Anwendungsbeispiele.

ROHM hat die vierte Generation von SiC-MOSFETs auf den Markt gebracht. Durch die Weiterentwicklung der Trench-Gate-Struktur der SiC-MOSFETs der 3. Generation, die sich bereits in der Massenproduktion etabliert haben, hat ROHM aufgrund einer hohen Schaltfrequenz den Durchgangswiderstand um etwa 40 % und den Schaltverlust um etwa 50 % gegenüber der 3. Generation reduziert. Diese Entwicklung zeigt sich in dem in Abbildung 2 dargestellten Trend des normalisierten Durchgangswiderstands (Ron-A: Durchgangswiderstand pro Flächeneinheit).

Abbildung 2. Trenddiagramm des normalisierten Durchgangswiderstands

Im Gegensatz zu den SiC-MOSFETs der 3. Generation bietet die 4. Generation eine höhere Schaltfrequenz, die wesentlich zu geringeren Schaltverlusten beiträgt. Abbildung 3(a) zeigt das Blockdiagramm des Abwärtswandlers und Abbildung 3(b) zeigt die allgemeinen Schaltsignalformen des Wandlers.

Abbildung 3. Blockdiagramm des Abwärtswandlers (Abbildung 3a) und der allgemeinen Schaltsignalformen des Wandlers (Abbildung 3b).

Wie in Abbildung 3(b) dargestellt wird, bestehen Leistungsvorrichtungsverluste in einem Wandler aus Schaltverlusten, Leitungsverlusten, Body-Dioden-Verlusten, Erholungsverlusten und Coss-Verlusten. (Coss-Verlust wird in der Abbildung vernachlässigt, weil er klein ist.)

Was den Schaltverlust betrifft, so wird er im Datenblatt allgemein als Energie pro Eon- und Eoff-Impuls beschrieben, was für den geschätzten Verlust in der anfänglichen Designphase nützlich ist. Bei der detaillierten Gestaltung ist es erforderlich, die Verlustleistung bei Hochspannungseingang und Hochfrequenz genau zu bestimmen. Die Gate-Ansteuerungsschaltung hat einen großen Einfluss auf die Geräteverluste, sodass eine Optimierung des Gate-Treiber-Designs erforderlich ist, um die äußerst hohen Schaltfrequenzen von SiC-Bauelementen zu nutzen.

Experimentelle Überprüfung von DC/DC-Wandler

Um die bisherige Analyse zu bestätigen, wurden die SiC-MOSFETs der 4. Generation in einen DC/DC-Abwärtswandler mit den folgenden Spezifikationen eingebaut und experimentell mit einem Evaluationsboard überprüft (Tabelle 1).

Abbildung 4 zeigt (a) die DC/DC-Wandlerschaltung und (b) das Evaluationsboard für die im Halbbrückenbereich verwendeten SiC-MOSFETs der 4. Generation mit eingebautem Entkopplungskondensator. Die Induktivität L, der Ausgangskondensator Co und der Bulk-Eingangskondensator sind extern angeordnet.

Tabelle 1: Spezifikationen von DC/DC-Wandlern und SiC-Gerät

Abbildung 4. DC/DC-Wandler Blockdiagramm für Tests und EVK mit SiC-MOSFETs der 4. Generation.

Abbildung 5 zeigt die VGS-, VDS- und ID-Signalformen bei 50 kHz während des Ein- und Ausschaltens. Die Einschaltsignalform ist links vergrößert. Aus der Beobachtung der Signalform können wir erkennen, dass die Einschaltanstiegszeit Trise etwa 20 ns beträgt, was sehr schnell ist. Abbildung 6 zeigt die Messergebnisse des Wirkungsgrades und der Verlustleistung dieses DC/DC-Wandlers sowie den Wirkungsgrad und den Verlust des DC/DC-Wandlers. Bei leichten Lasten (etwa 1 kW) tritt die geringe Schaltdämpfung auf, die für den SiC-MOSFET der 4. Generation charakteristisch ist.

Abbildung 5. Beobachtete Schaltsignalformen (500 Vin, 250 Vo/20 A(5 kW), 50 kHz)

Abbildung 6. Gemessener Wirkungsgrad und gemessene Verluste (500 Vin, 250 Vo/7 kW)

EV-Anwendung

Es gibt verschiedene Arten von Elektrofahrzeugen, wie BEVs, HEVs, PHEVs und Serien-HEVs, mit unterschiedlichen Leistungsarchitekturen für verschiedene Anwendungen. Unter ihnen hat die Leistungsarchitektur von BEVs mit einer Batteriespannung von 400 V oder 800 V, die ein bidirektionales und schnelles Laden unterstützen, jüngst für Aufmerksamkeit gesorgt.

Abbildung 7 veranschaulicht ein Blockdiagramm der BEV-Leistungsarchitektur als Beispiel: Das OBC (integrierte Ladegerät) ist eine Topologie mit bidirektionaler Totem-Pole-PFC und bidirektionaler CLLC (symmetrische LLC), wobei V2G (Fahrzeug-zu-Netz) angenommen wird. Vom Ausgang dieses OBC wird der DC/DC-Hilfswandler, die Batterie, der Aufwärtswandler zum Wechselrichter und der Motor-Antriebswechselrichter mit Strom versorgt.

Abbildung 7. Ein Beispiel für eine BEV-Leistungsarchitektur

Simulierter Fahrversuch mit Antriebswechselrichter

Mit der fortschreitenden Integration von mechanischen und elektrischen Bauelementen (Motoren, Untersetzungsgetriebe und Wechselrichter) steigt die Bedeutung der Verringerung von Verlusten, um Wechselrichter mit hoher Spannung, hoher Leistungsfähigkeit, kompakten und leichtgewichtigen Leistungen zu erreichen. Dies liegt daran, dass es sich direkt auf die Kostenleistung von Elektrofahrzeugen auswirkt.

Wie in Abbildung 8 dargestellt wird, wandelt der Antriebswechselrichter den von der Batterie bereitgestellten DC-Strom in Dreiphasen-AC-Strom um, um den Motor im Antriebsstrang anzutreiben. Die dreiphasige AC-Signalform wird durch eine Signalwelle (Referenzsinuswelle) mit einer mit der Motordrehzahl synchronisierten Frequenz und eine Dreieckswelle (Modulationswelle) mit einer Trägerfrequenz eingestellt, welche die Schaltfrequenz bestimmt. Die dem Motor zugeführte Spannung wird durch Änderung der Pegel der dreiphasigen AC- und Dreieckswellen bei der Erzeugung des PWM-Signals bestimmt.

Abbildung 8. Wechselrichterschaltungskonfiguration und Ansteuersignal

Motorprüfstandsumgebung

Tabelle 2 zeigt die Hauptspezifikationen der im Motorprüfstand installierten SiC-Geräte und des Wechselrichters des Prüflings. Der Wechselrichter des Prüflings besteht aus einem 2-in-1-Leistungsmodul mit einem nackten SiC-MOSFET-Chip der 4. Generation.

Abbildung 8. Hauptspezifikationen von Motorprüfstand und Testwechselrichter

Abbildung 9 veranschaulicht das Steuersystemblockdiagramm. Der Testmotor wird vom Wechselrichter des Prüflings über eine 3-Phasen-UVW-Stromleitung angetrieben. Der Testmotor ist mit dem Lastmotor verbunden und der Lastmotor wird durch das Lastmoment entsprechend dem aus den Fahrzeugparametern berechneten Fahrwiderstand gesteuert, was den simulierten Fahrversuch mit den gewünschten Fahrzeugparametern ermöglicht.

Abbildung 9. Motorprüfstand / Steuerungssystem Blockdiagramm

International standardisierter Kraftstoffeffizienz-Test im WLTC-Modus für simuliertes Fahren

Der weltweit einheitliche Leichtfahrzeuge-Testverfahrenszyklus (WLTC) ist ein Fahrzyklus, der im weltweit einheitlichen Leichtfahrzeuge-Testverfahren (WLTP) festgelegt ist. Dieser Zyklus besteht aus Phasen mit niedriger, mittlerer, hoher und äußerst hoher Geschwindigkeit. In Japan werden Testfahrzeuge im Fahrzyklus gefahren, mit Ausnahme der äußerst hohen Phase zur Messung von Abgasemissionen und Kraftstoffverbrauch.

Mit dem genannten Motorprüfstand hat ROHM einen Fahrkostentest mit SiC-MOSFETs der 4. Generation und IGBTs im Wechselrichter durchgeführt, indem die Bedingungen eines simulierten WLTC-Fahrzyklus eingegeben wurden.

Abbildung 10 zeigt die Ergebnisse des Kostentests unter Annahme eines EV der Segmentklasse C und zeigt, dass der Austausch der herkömmlichen IGBTs durch SiC-MOSFETs der 4. Generation die Kosten bei allen Geschwindigkeitsphasen des WLTC-Fahrzyklus verbessern kann. Die Gesamtstromkosten wurden im Vergleich zu den IGBTs um etwa 6 % und im städtischen Modus um etwa 10 % verbessert. Als Referenz zeigt Abbildung 11 ein Diagramm der Wechselrichtereffizienzkarte (basierend auf der NT-Kurve, mit hinzugefügten Informationen über den Wirkungsgrad). Dem ist zu entnehmen, dass der Wirkungsgrad im hohen Drehmoment- und niedrigen Drehzahlbereich, wie er im Stadtverkehr häufig zu beobachten ist, stark verbessert wurde.

Abbildung 10. Testergebnis Stromkosten

Abbildung 11. Wechselrichter-Effizienzkarte im WLTC-Stromkostentest

Auswertung der Totem-Pole-PFC

Die Totem-Pole-PFC ist eine Topologie, die in den letzten Jahren als PFC-Wandler, der einen hohen Wirkungsgrad anpeilen kann, große Aufmerksamkeit erregt hat. Darüber hinaus wird V2G weltweit als Stabilisierung des Microgrid-Systems und als Beitrag zum Ausgleich von Angebot und Nachfrage betrachtet, und der bidirektionale Betrieb hat an Bedeutung gewonnen.

Abbildung 12 veranschaulicht das Blockschaltbild. Der linke Schenkel (S1, S2) ist für die Hochfrequenzumschaltung und der rechte Schenkel (S3, S4) zur handelsüblichen Frequenzgleichrichtung.

Abbildung 13 zeigt das Betriebsdiagramm nach Zustand. Während des positiven Halbzyklus des kommerziellen Wechselstroms führt der Totem-Pole-Low-Side-FET (S2) eine Hochfrequenzumschaltung als Aufwärtswandler durch (Abbildung (a): Periode D). SiC-MOSFETs haben eine sehr kurze Erholzeit und der Effekt dieser Verlustleistung ist gering, sodass sie gut zu Totem-Pole-PFC-Leistungsbauelementen passen. Während des negativen Halbzyklus des kommerziellen Wechselstroms wirkt der Totem-Pole-High-Side-FET (S1) als Aufwärtswandler, der mit hoher Frequenz schaltet (Abbildung (c): Periode D), während S2 als Gleichrichter fungiert (Abbildung (d): Perioden 1-D). S3 und S4 schalten jeden Halbzyklus des kommerziellen Wechselstroms.

Abbildung 12. Totem-Pole-PFC – Blockdiagramm

Abbildung 13. Betriebsdiagramm nach Zustand

Um den Beitrag der SiC-MOSFETs der 4. Generation zur Verlustreduktion der Totem-Pole-PFC zu überprüfen, wurde ein Experiment mit der eigentlichen Platine durchgeführt. Tabelle 3 zeigt die Bewertungsbedingungen der PFC und die Spezifikationen der verwendeten SiC-Bauelemente. Bei einer Ausgangsspannung von 400 V wird ein SiC-MOSFET mit einer Durchbruchspannung von 750 V angepasst. In diesem Fall wird SCT4045DR verwendet. Als Ergebnis liegt der gemessene Wirkungsgrad bei einer Halblast von 1,5 kW bei über 98 % und bei einer Volllast von 3 kW bei 97,6 %.

Abbildung 13. PFC-Bewertungsbedingung

Zusammenfassung

SiC-Leistungshalbleiter sind wichtige Leistungsvorrichtungen zur Steigerung der Komfort- und Leistungsumwandlungseffizienz in Anwendungen, in denen sich hohe Spannung und hohe Stromdichte immer weiterentwickeln, wie z. B. EVs, Rechenzentren, Basisstationen und Smart Grids. Beim SiC-MOSFET der 4. Generation wurde der Ausgleich der Trench-Struktur stark verbessert und der normalisierte Durchgangswiderstand weiter reduziert. Die hohe Schaltfrequenz und der niedrige Durchgangswiderstand der SiC-MOSFETs der 4. Generation werden erheblich zur Verbesserung der Effizienz der Leistungsumwandlung beitragen.

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