碳化硅(SiC)技术和数字栅极驱动为重型运输车辆的电气化铺平了道路

日期:2022-05-29

 
据估计,与建筑、工业或任何其他部门相比,交通部门通过电气化降低温室气体(GHG)排放的潜力更大
作者:Nitesh Satheesh、Tomas Krecek、Perry Schugart、Xuning Zhang和Kevin Speer,Microchip Technology
 
 
在排放密集型交通工具的脱碳任务中,最有前途的技术包括基于碳化硅的电源管理解决方案,该解决方案由可配置的数字栅极驱动器技术支持。
 

 
所有类型电动汽车(EV)的高功率和高电压要求,包括电动公共汽车和其他电子交通电力系统,要求碳化硅(SiC)技术具有更高的效率,以取代旧的硅场效应晶体管(FET)和绝缘栅双极晶体管(IGBT)。
 
当给世界上最大的二氧化碳(CO2)当量温室气体排放源通电时,这种组合比硅的效率要高得多,这些排放源的单位为太克(Tg):公共汽车(22.2)、铁路(37.6)和中型和重型卡车(444)。这些商用交通工具中的关键系统——如火车或公共汽车中的辅助动力装置(APU)——可以使用SiC MOSFET缩小尺寸,以更低的成本以更高的效率和可靠性运行,SiC MOSFET采用数字门驱动器,以最少的能量挤压最大的生产率。
 
转向1700伏(V)SiC MOSFET
 
高压碳化硅(SiC)MOSFET的出现扩大了该技术的优势,以支持电气化商用和重型车辆、轻轨牵引和辅助电源的功率转换需求(见图1)。
 

1:目前市场上有多家供应商提供1700 V级的大面积SiC MOSFET
 
由于这些1700V SiC器件的开关损耗只占竞争硅IGBT中开关损耗的一小部分,因此它们的开关频率可以提高,功率转换器的尺寸可以大幅减小。在“轻载条件”下运行时,这些好处尤其重要(见图2)。
 
例如,使用交通APU操作大部分时间处于关闭状态的车门。在这种情况下,SiC MOSFET可以减少传导损耗,并补充其提供的已经很低的开关损耗,从而消除了散热等热管理措施的需要。
 

2:输出曲线显示,与硅IGBT不同,SiC MOSFET没有拐点电压,这意味着在轻负载条件下,传导损耗也较低。绝大多数应用在其使用寿命的大部分时间都以轻负载运行
 
如今的高电压SiC MOSFET还通过简化电路拓扑和减少元件数量来提高可靠性,同时降低成本。1700V的阻断电压减小了功率转换器的尺寸,设计师还可以用一个简单得多的两级电路取代三级电路结构,在简化控制的同时,将器件数量减半。
设计者应考虑几个关键因素时,选择SiC MOSFET的多兆瓦应用,如重型运输车辆。一种是使用基于基本单元(也称为电力电子构建块或子模块)的模块化解决方案。
 
另一个考虑因素是SiC MOSFET固有体二极管的稳健性。设计者应该选择在测试状态漏源电阻(RDSon)的前后压力时没有明显变化的器件。
 
这确保了在进行反向电流并在切换循环后交换剩余能量时,在持续数小时的正向电流应力后,它们不会退化。应仔细审查SiC MOSFET测试结果,因为一些SiC MOSFET选项显示出至少某种程度的退化,而其他选项甚至变得不稳定。
 
最佳的SiC MOSFET选择将消除解决退化问题所需的外部反并联二极管的芯片成本和功率模块体积。然而,即使是这种解决方案,也可以用较低的成本换取可能波动的体二极管性能(有些比其他更波动)。这可以通过使用数字栅极驱动器来调整SiC MOSFET的导通参数来解决。
 
数字栅极驱动器对于缓解SiC MOSFET更快的开关速度产生的二次效应也至关重要。这些包括噪声和电磁干扰(EMI)、有限的短路耐受时间,以及由于寄生电感和过热而产生的过电压。
 
数字栅极驱动释放了全部SiC功能
 
标准模拟栅极驱动器,即使经过修改,也不足以满足SiC技术的独特要求。除了为这些器件从头开始设计外,数字设计驱动器还使设计师能够通过试验配置并将其重新用于许多不同的设计驱动器参数,如设计开关配置文件、系统关键监视器和控制器接口设置,从而节省数月的开发时间。
 
它能够在不改变任何硬件的情况下快速定制各种应用的设计驱动程序,缩短了从评估到生产的开发时间。控制参数可以在设计过程中的任何时候进行修改。
 
数字设计驱动器提供了许多有价值的好处。与传统模拟方法相比,它们可以将漏源极电压(VDS)超调降低80%,开关损耗降低50%,上市时间缩短6个月。它们可以产生/吸收高达20A的峰值电流,并提供具有低电容隔离栅的隔离DC/DC转换器,可用于脉宽调制信号和故障反馈。
 
除了强大的故障监测和检测,这些驱动器还提供独立的短路响应,使设计者能够比传统的模拟设计驱动器更精确地控制MOSFET的导通和关断,传统的模拟门驱动器在正常和短路情况下仅通过设计电阻控制关断斜率。
由可配置的数字设计驱动器实现的增强开关能力将继续发展。与传统模拟驱动器的单步控制相比,该技术现在提供最多两个开启控制步骤,以及最多三个关闭控制级别。
 
在关闭时提供这种“软着陆”与用脚踩防抱死系统的刹车具有相同的好处。四级短路设置对SiC开关速度的二次效应提供了更精确的控制,同时解决了超调、振铃和关闭能量等变量。
 
这些功能使设计人员能够满足不断增长的SiC应用需求,这些应用需要更快的切换,以及更精确、更动态、多步开启和关闭的组合。
 
可配置的增强开启功能在电机控制等应用中尤其有价值。当电压变化率(dV/dt)过高时,会导致电机预期寿命缩短,相应地,保修成本也会增加。
 
在更高频率的电机可用之前,用模拟门驱动器解决这个问题的唯一方法是降低SiC速度,但这会降低效率。只有使用数字门驱动器,才能微调dV/dt,以快速实现最合适的折衷。图3总结了模拟门驱动器和新一代数字门驱动器之间的差异。
 

3:传统模拟设计驱动器与两代数字设计驱动器技术的比较
 
使用数字设计驱动器创建从评估到生产的直接路径始于设计驱动器核心和模块适配器板。该生态系统包括一个SP6LI低电感功率模块,将硬件和连接器安装到热敏电阻和直流电压上,以及一个可配置软件的编程工具包。
 
模块适配器板使设计人员能够快速配置和重复使用多个不同供应商的SiC MOSFET的栅极驱动器开启/关闭电压(具有不同的正电压或负电压范围),从而增加了灵活性,无需重新设计。
 
即使SiC MOSFET之前与模拟设计驱动器一起使用,情况也是如此。设计师只需重新配置数字设计驱动器,即可立即将解决方案投入生产,同时继续以相同的加速生产路径混合和匹配门驱动器核心和模块适配器板。
 
测试可以立即从连接到笔记本电脑和相腿的SP6LI低电感功率模块开始。按键取代了将栅极电阻焊接到电路板上以改变栅极驱动器行为参数的繁琐过程。
 
下一步
 
1700V SiC MOSFET电源管理解决方案与数字设计驱动技术的结合将在重型运输车辆电气化的全球任务中发挥关键作用。
 
它扩展了SiC的优势,以支持这些车辆的功率转换需求,同时加快和简化了从设计到生产的过程,并创造了新的功能,例如随着SiC MOSFET的退化,改变现场的开关配置。
 
这一新一代电源管理技术被整合到整体系统解决方案中,通过使辅助动力装置大大缩小,同时显著改善系统设计体验,为电气化地铁、地铁和其他重型运输车辆中的更多付费乘客腾出空间。
 
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